escuela politÉcnica nacional - repositorio...
TRANSCRIPT
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PICADORA DE HIELO CON
CAPACIDAD DE 6000 kg/h PARA UTILIZAR EN LA PESCA
ARTESANAL
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENI ERO
MECÁNICO
SANDRA JEANNETH CHICAIZA CAÑAR
ORLANDO JAVIER CHUNGANDRO NACAZA
DIRECTOR: ING. JAIME VARGAS.
Quito, Noviembre 2008
ii
DECLARACIÓN
Nosotros, Sandra Jeanneth Chicaiza Cañar y Orlando Javier Chungandro Nacaza
declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que
no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y,
que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,
según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por
la normatividad institucional vigente.
Sandra Chicaiza Cañar Orlando Chungandro Nacaza
iii
CERTIFICACIÓN
Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Sandra Jeanneth
Chicaiza Cañar y Orlando Javier Chungandro Nacaza bajo nuestra supervisión.
_______________________ _______________________
Ing. Jaime Vargas. Ing. Jorge Escobar
DIRECTOR DE PROYECTO COLABORADOR
iv
AGRADECIMIENTOS
Al Ing. Jaime Vargas por su dirección, asesoría y dedicación constante para la
elaboración del presente proyecto. A todos los maestros de nuestra querida
facultad que saben inculcar en cada uno de los estudiantes el esfuerzo y empeño
para lograr los objetivos profesionales y personales.
A todos mis compañeros que hicieron agradable el transcurso de los niveles y
compartieron sus conocimientos conmigo en especial a Paúl Fernández y William
Guayasamín por su valiosa contribución en este trabajo.
Al personal docente y administrativo de la Facultad de Ingeniería Mecánica por su
paciencia e interés para con la comunidad guaypera.
ORLANDO JAVIER
Doy gracias a Dios por darme la sabiduría y paciencia para desarrollar este
trabajo.
A mi director de tesis al Ing. Jaime Vargas por su acertada dirección y ayuda.
Al padre de mi hija, Paúl Fernández, por su amistad, compresión y ayuda
incondicional brindada.
A mis compañeros de trabajo Elizabeth, Patricio, Esteban y Santiago por su
amistad y compresión.
Y a todas las personas que aportaron con ideas para que se pueda desarrollar
este proyecto.
SANDRA JEANNETH
v
DEDICATORIA
El presente proyecto de titulación lo dedico primeramente a Dios por ser mi
confidente y amigo.
A mi madre y padre a la vez Rosita Nacaza que camina conmigo en todos los
proyectos y ambiciones de mi vida.
A mis hermanos; Doris, Tito, Liz, Cléber, Hennry y Jhonny por su comprensión
apoyo y confianza.
ORLANDO JAVIER
El siguiente trabajo que se presenta lo dedico a mi hija Paula que con su sonrisa
me ayudó en los momentos difíciles.
A mis Padres Luis Chicaiza y María Cañar por darme la herencia más valiosa que
es la educación, por el apoyo y consejos entregados a lo largo de estos años; y
en especial mi mami por la ayuda incondicional y el cariño dado.
A mis hermanas Verónica y Daniela por la amistad y ayuda brindada.
SANDRA JEANNETH
vi
CONTENIDO
CAPITULO I ........................................................................................................... 1
GENERALIDADES ............................................................................................. 1
1.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1
1.2 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN...................................................... 1
1.2.1 OBJETIVO GENERAL........................................................................ 1
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ............................................................. 2
1.3 ALCANCES............................................................................................... 2
1.4 EL HIELO.................................................................................................. 2
1.4.1 PROPIEDADES DEL HIELO. ............................................................. 3
1.4.2 ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIELO ......................................... 5
1.4.2.1 Fusión Eutéctica........................................................................... 7
1.4.2.2 Descenso crioscópico .................................................................. 8
1.4.3 FABRICACIÓN DEL HIELO................................................................ 9
1.4.3.1 Elección del tipo de agua que se va utilizar en la fabricación de
……….hielo.............................................................................................. 9
1.4.3.1.1 Ventajas y Desventajas del uso de hielo elaborado con agua
…………..de mar. ............................................................................... 10
1.4.3.1.2 Máquinas de Hielo de agua de mar..................................... 11
1.4.3.1.2.1 Ventajas y Desventajas de tener una Máquina de hielo
……………con agua de mar a bordo. ............................................. 11
1.4.3.2 Tipos de hielo y su fabricación. .................................................. 12
1.4.3.2.1 Hielo en bloques.................................................................. 13
1.4.3.2.2 Hielo en bloques de fabricación rápida................................ 15
1.4.3.2.3 Hielo en escamas. ............................................................... 16
1.4.3.2.4 Bloques de trozos pequeños de hielo compactados. .......... 18
1.4.3.2.5 Hielo Fundente. ................................................................... 19
1.4.3.2.6 Hielo en tubos...................................................................... 21
1.4.3.2.7 Hielo en placas. ................................................................... 22
1.4.4 UTILIZACIÓN DEL HIELO EN LA PESCA. ...................................... 22
1.4.4.1 Enfriamiento o congelación del pescado................................... 22
1.4.4.2 Los efectos conservantes del enfriamiento del pescado........... 23
vii
CAPITULO II ........................................................................................................ 28
2.1 LA PICADORA DE HIELO ...................................................................... 28
2.2.1 FUNCIONAMIENTO DE LA PICADORA DE HIELO. ....................... 28
2.2.2 REDUCCIÓN DE TAMAÑO.............................................................. 29
2.2.2.1 Fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño. .......................... 30
2.2.2.2 Variables que intervienen en la reducción de tamaño................ 31
2.2.2.3 Clasificación de máquinas de reducción de tamaño. ................. 32
CAPÍTULO III ....................................................................................................... 33
ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO............................ 33
3.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 33
3.1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ........................................................ 33
3.1.2 ESTUDIO DE MERCADO ................................................................ 33
3.1.3 ENCUESTAS REALIZADAS ............................................................ 34
3.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES ..................................................... 38
3.3 PARÁMETROS DE DISEÑO .................................................................. 38
3.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS Y
…...CRITERIO DE PONDERACIÓN............................................................. 39
3.4.1 ASPECTO ECONÓMICO ................................................................. 39
3.4.2 FACILIDAD DE MONTAJE Y DESMONTAJE .................................. 39
3.4.3 FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN................................................... 39
3.4.4 FACILIDAD DE OPERACIÓN........................................................... 40
3.4.5 PRODUCTO TERMINADO............................................................... 40
3.4.6 MANTENIMIENTO.......................................................................... 40
3.4.7 VERSATILIDAD................................................................................ 40
3.5 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO.......................................... 41
3.5.1 ALTERNATIVA A: ALIMENTACIÓN POR TOLVA............................ 41
3.5.1.1 Ventajas ..................................................................................... 41
3.5.1.2 Desventajas ............................................................................... 41
3.5.2 ALTERNATIVA B: ALIMENTACIÓN VÍA CANAL ............................. 42
3.5.2.1 Ventajas ..................................................................................... 43
3.5.2.2 Desventajas ............................................................................... 44
3.6 SELECCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS.................................................. 44
viii
3.7 PROTOCOLO DE PRUEBAS ................................................................. 45
CAPITULO IV ....................................................................................................... 48
DISEÑO DE LA PICADORA DE HIELO ............................................................ 48
4.1 ESTUDIO PARA DETERMINAR LA FUERZA QUE SE REQUIERE PARA
…...PICAR EL HIELO.................................................................................... 48
4.1.1 DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DE CORTE.............................. 50
4.2 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA QUE SE REQUIERE. ................ 52
4.3 DETERMINACIÓN DEL TORQUE.......................................................... 55
4.3 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE LA MÁQUINA. ............................... 56
4.3.1 DISEÑO DEL CILINDRO.................................................................. 56
4.3.1.1 Diseño Estático. ......................................................................... 56
4.3.2 DISEÑO DE LA CUCHILLA.............................................................. 62
4.3.2.1 Diseño Estático .......................................................................... 62
4.3.3 DISEÑO DEL EJE ............................................................................ 63
4.3.3.1 Diseño del Eje (Estático)............................................................ 63
4.3.3.2 Diseño del eje (Fatiga) ............................................................... 69
4.3.4 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS ................................................... 70
4.3.5 DISEÑO DE LA LENGÛETA ............................................................ 72
4.3.6 DISEÑO DE LAS JUNTAS SOLDADAS........................................... 74
4.3.6.1 Diseño estático de las juntas soldadas entre el eje motriz y el
……….cilindro porta cuchillas. ............................................................... 74
4.3.6.2 Diseño Dinámico de las Juntas soldadas entre Eje Motriz y el
……….cilindro porta cuchillas. ............................................................... 77
4.3.7 SELECCIÓN DE PERNOS PARA EL ACOPLE EJE MOTRIZ Y
……..MOTOR. ........................................................................................... 79
4.3.7.1 Diseño a Corte. .......................................................................... 79
4.3.8 CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE ................................. 80
4.3.8.1 Geometría de la estructura......................................................... 80
4.3.8.2 Cargas que actúan en la estructura soporte .............................. 81
CAPITULO V........................................................................................................ 84
CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y ANÁLISIS DE COSTO .................................. 84
5.1 GENERALIDADES.................................................................................. 84
ix
5.2 CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA. ................................................... 84
5.2.1 REQUERIMIENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN........................... 85
5.2.2 HOJA DE PROCESOS.................................................................... 86
5.3 ANÁLISIS ECONÓMICO......................................................................... 95
5.3.1 ANÁLISIS DE COSTOS DIRECTOS. ............................................... 95
5.3.1.1 Materiales Directos .................................................................... 95
5.3.1.2 Elementos Directos. ................................................................... 96
5.3.1.3 Costos de Maquinado ................................................................ 97
5.3.1.4 Costos de Montaje ..................................................................... 98
5.3.1.5 Costo Directo Total. ................................................................... 98
5.3.2 ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS. ........................................... 99
5.3.2.1 Materiales Indirectos. ................................................................. 99
5.3.2.2 Costo de Ingeniería.................................................................. 100
5.3.2.3 Gastos Indirectos. .................................................................... 100
5.3.2.4 Costo Indirecto Total. ............................................................... 100
5.3.3 COSTO TOTAL DE LA MÁQUINA. ................................................ 101
CAPITULO VI ..................................................................................................... 102
PRUEBAS DE CAMPO................................................................................... 102
6.1 DATOS OBTENIDOS........................................................................... 102
6.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................................... 104
CAPITULO VII .................................................................................................... 105
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 105
7.1 CONCLUSIONES.................................................................................. 105
7.2 RECOMENDACIONES ......................................................................... 107
CAPITULO VIII ................................................................................................... 108
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................... 108
ANEXOS ............................................................................................................ 110
x
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Propiedades del hielo. ................................................................................ 4
Tabla 1.2. Estructuras del hielo. .................................................................................. 6
Tabla 1.3.Ventajas e inconvenientes del enfriamiento y la congelación.................... 24
Tabla 3.1 Valoración de las alternativas de diseño. .................................................. 44
Tabla 3.2 Pruebas a realizarse.................................................................................. 46
Tabla 4.1 Dimensiones de las probetas. ................................................................... 49
Tabla 4.2. Fuerza obtenida en el ensayo de compresión.......................................... 50
Tabla 4.3 Valores del factor de seguridad n............................................................. 61
Tabla 5.1. Costos de materiales directos. ................................................................. 95
Tabla 5.2 Costos de elementos directos. .................................................................. 96
Tabla 5.3. Costos de mano de obra en máquinas-herramientas............................... 98
Tabla 5.4 Costo directo total...................................................................................... 99
Tabla 5.5 Costos de materiales indirectos. ............................................................... 99
Tabla 5.6 Costo indirecto total................................................................................. 100
Tabla 5.7 Costo total de la máquina picadora de hielo............................................ 101
Tabla 6.1 Protocolo de Pruebas .............................................................................. 102
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley en 1902....................... 5
Figura 1.2. Diagrama de fase del hielo........................................................................ 7
Figura 1.3. Diagrama de fase agua-sal a presión atmosférica .................................... 9
Figura 1.4. Relación entre el grosor del hielo producido y el tiempo de
congelación. .............................................................................................................. 14
Figura 1.5. Fábrica de bloques de hielo. ................................................................... 15
Figura.1.6 Máquina de hielo de tipo "Coldisc" ........................................................... 17
Figura. 1.7. Fábrica de hielo fundente....................................................................... 20
Figura 1.8. Máquina de hacer hielo en tubos ............................................................ 21
Figura 1.9. Comparación de los perfiles de temperatura........................................... 27
Figura 2.1. Picadora de hielo..................................................................................... 29
Figura 2.2. Reducción de Tamaño, ruptura, y equipos.............................................. 30
Figura 2.2. Fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño. ....................................... 31
Figura 3.1. Porcentaje pregunta 1. ............................................................................ 34
Figura 3.2. Porcentaje pregunta 2. ............................................................................ 35
Figura 3.3. Porcentaje pregunta 3. ............................................................................ 36
Figura 3.4. Porcentaje pregunta 4. ............................................................................ 37
Figura 3.5. Porcentaje pregunta 5. ............................................................................ 37
Figura 3.6. Esquema de la picadora de hielo de alimentación por tolva. .................. 42
Figura 3.7. Esquema de la picadora de hielo de alimentación vía canal................... 43
Figura 4.1. Probetas de hielo. ................................................................................... 48
Figura 4.2. Probetas colocadas en la Máquina Universal. ........................................ 49
Figura 4.3. Rotura de la probeta de hielo. ................................................................. 50
Figura 4.4. Disposición de las cuchillas..................................................................... 52
Figura 4.5. Dimensiones de la cuchilla...................................................................... 54
Figura 4.6. Fuerzas que actúan en el cilindro............................................................ 57
Figura 4.7. Figura del análisis aplicando la teoría de la Energía de Distorsión. ........ 58
Figura 4.8. Longitud de arco que contiene al bloque de hielo. ................................. 61
Figura 4.9. Fuerzas que actúan en la cuchilla. .......................................................... 62
Figura 4.10. Diagrama de cuerpo libre del eje........................................................... 64
Figura 4.11. Fuerzas que actúan en el eje en el plano Y – X.................................... 65
Figura 4.12. Fuerzas que actúan en el eje en el plano Z – X ................................... 65
xii
Figura 4.13. Diagrama de esfuerzo cortante y momento flector del eje en el plano
Y – Z.......................................................................................................................... 67
Figura 4.14. Relación esfuerzo – tiempo.................................................................. 68
Figura 4.15. Fuerzas que actúan sobre la lengüeta. ................................................. 72
Figura 4.16. Cargas que actúan sobre la soldadura.................................................. 75
Figura 4.17. Fuerzas que soportan los pernos. ......................................................... 79
Figura 4.18. Estructura soporte. ................................................................................ 81
Figura 4.19. Cargas aplicadas a la estructura soporte. ............................................. 82
Figura 5.1. Verificación de medidas. ........................................................................ 97
xiii
SIMBOLOGÍA UTILIZADA
A = área [m2]
At = área transversal. [m2]
C = Capacidad de carga dinámica. [N]
D = diámetro [m]
d = diámetro nominal del perno. [m]
Diámetro equivalente. [m]
Dext = diámetro exterior. [m]
Dint = diámetro interior. [m]
E = módulo de elasticidad. [MPa]
F = fuerza. [N]
Fc = fuerza de corte. [N]
Fp = precarga del perno debido al apriete. [kip]
h= altura [m]
Ju = momento polar de área unitario. [m3]
J = momento polar de área del grupo de juntas. [m4]
Ka = factor de superficie
Kb = factor de tamaño.
Kc = factor de confiabilidad.
Kd = factor de temperatura.
Ke = factor de concentración de esfuerzos.
Kt = factor teórico de concentración de esfuerzos.
Kb = constante de rigidez del perno. [lb/pulg]
Km = constante de rigidez de los elementos. [lb/pulg]
L = agarre. [m]
L10 = Duración nominal en horas de servicio[h]
L = longitud del eje. [m]
l = longitud de la lengueta. [m]
M = momento flector [Nm]
n= velocidad de rotación. [rpm]
n= factor de seguridad.
xiv
Nd = número de dientes.
N = número de pernos.
P = Carga dinámica equivalente sobre el rodamiento. [N]
p = Exponente de la fórmula de duración.
Pc = potencia de corte. [hp]
Pn = potencia nominal. [hp]
P = carga externa total que soporta los pernos. [N]
q= sensibilidad a las ranuras.
Q = carga distribuida. [N]
R = reacciones. [N]
r = radio. [m]
s= longitud de arco. [m]
Sp = resistencia a prueba. [MPa]
Sy = resistencia a la fluencia. [MPa]
SB, SA = resistencias. [MPa]
Se = límite a la fatiga. [MPa]
Se’ = limite de fatiga por viga rotatoria. [MPa]
Sut = límite último a la tracción. [MPa]
T = torque. [Nm]
τ = esfuerzo de corte. [N/m2]
Vc = velocidad de corte. [m/min]
υ t = esfuerzo de tracción. [N/m2]
υ c = esfuerzo de compresión. [N/m2]
υ = esfuerzo normal. [N/m2]
ω = velocidad angular. [rad/s]
W = peso. [N]
w= ancho. [m]
xv
RESUMEN
El siguiente proyecto tiene como propósito el diseño y construcción de una
máquina picadora de hielo que satisfaga los requerimientos de los pescadores
artesanales.
Inicialmente se recopila información básica acerca de la producción de hielo, la
conservación del pescado y la teoría que ayuda a entender el funcionamiento y
comportamiento de los diferentes elementos constitutivos de la máquina.
Para obtener la alternativa de solución que cumpla con los requisitos
especificados se plantea 3 casos en los cuales se realiza un análisis orientado a
la funcionalidad, mantenimiento, operación y costos de fabricación.
Una vez obtenida la alternativa de solución se procede a diseñar y seleccionar
cada uno de los elementos que conforman la máquina Picadora de Hielo.
Después del diseño de los elementos que constituyen la máquina se realiza un
análisis económico para obtener el costo aproximado de la construcción de la
máquina Picadora de Hielo.
Para todos los elementos que se van a fabricar se muestra hojas de procesos
facilitando de esta manera la construcción de las partes constitutivas de la
máquina.
Al final se presenta documentación que facilita el entendimiento, procedimiento y
selección de los componentes, accesorios; además incluye planos de conjunto, y
de taller de la máquina Picadora de Hielo.
xvi
PRESENTACIÓN
La pesca artesanal es una de las principales fuentes de trabajo y aportación
económica de la zona costera del Ecuador.
Los pescadores artesanales requieren de hielo picado para el almacenamiento y/o
transportación de sus productos para que llegue su captura en buen estado a los
mercados locales donde son comercializados; actualmente en el mercado
ecuatoriano no existen registradas máquinas picadoras de hielo.
El buen estado de los productos capturados deja una buena ganancia económica
para el pescador; por lo que es necesario contar con una máquina que
proporcione el hielo picado y que sea económicamente accesible y de fácil
operación para el pescador artesanal.
El presente proyecto está encaminado a diseñar y construir una máquina que sea
de fácil adquisición para los pescadores artesanales.
1
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1 INTRODUCCIÓN
El Ecuador es un país cuya principal fuente de ingresos económicos es el
petróleo; pero la actividad pesquera también aporta a la economía del país, la
mayoría de la gente del litoral se dedica a la pesca artesanal; de ahí que es
necesario apoyar a este sector pesquero artesanal para que su producto se
mantenga fresco durante más tiempo.
Todas las especies de pescados si se enfrían debidamente se mantienen
fresco durante más tiempo que los que no se someten a ningún método de
conservación. Por consiguiente, el uso de hielo, posibilita un aumento efectivo de
la duración de las salidas de pesca y permite aumentar las capturas, lo que
beneficia económicamente a las personas que se dedican a esta actividad.
Los productos que lleguen al mercado en buenas condiciones de
conservación alcanzan generalmente precios más altos, tanto en el comercio
mayorista como minorista, y generan un mayor rendimiento económico de la
actividad pesquera. Es por eso que se hace necesario facilitar hielo picado que
este económicamente accesible al sector pesquero artesanal.
1.2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.2.1 OBJETIVO GENERAL:
Diseñar y construir una picadora de hielo con capacidad de 6000 Kg/h para
ser utilizada en el sector artesanal pesquero.
2
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
• Realizar un estudio de los fundamentos teóricos acerca del diseño de
elementos mecánicos y del proceso de picado de hielo.
• Aplicar los conocimientos teóricos y prácticos de la Ingeniería Mecánica
respecto al diseño de máquinas y selección de materiales.
• Construir una máquina de gran capacidad.
• Realizar el montaje y las pruebas de campo del prototipo construido.
• Hacer del proyecto una inversión rentable.
1.3 ALCANCES
• Recopilación de información necesaria para realizar el mencionado
proyecto.
• Organización de la información obtenida.
• Planteamiento análisis de Alternativas.
• Selección de la Alternativa de solución.
• Diseño de los elementos constitutivos de la máquina.
• Elaboración de Planos y Hojas de Procesos.
• Protocolo de Pruebas
• Análisis y valoración de costos para la construcción de la máquina.
• Pruebas de campo.
• Conclusiones y Recomendaciones.
1.4 EL HIELO
El agua en el mundo está presente en tres estados naturales, líquido,
gaseoso y sólido. Al estado sólido se le conoce como hielo; por tanto el hielo es
agua sólida cristalizada.
Ciertas formas congeladas de otras sustancias como el dióxido de carbono,
se conoce como hielo seco.
3
1.4.1 PROPIEDADES DEL HIELO.
El hielo posee algunas propiedades pero las que se pueden observar sin la
utilización de un equipo especial son, lo incoloro y transparente, para obtener
información de otras propiedades se tiene que recurrir a experimentos y la
utilización de equipos más complejos.
A continuación se enuncian algunas de las propiedades del hielo más
importantes.
• El hielo es incoloro, transparente.
• Cristaliza en el sistema hexagonal.
• Su punto de fusión es de 0°C.
• A 0 °C tiene una densidad relativa de 0,9168 compa rada con la densidad
0,9998 g/cm3 del agua a la misma temperatura, como consecuencia el
hielo flota en el agua.
Debido a que el agua se expande al solidificarse, al aumentar la presión
tiende a transformar el hielo en agua. Este efecto no es muy marcado para los
aumentos ordinarios de presión. Por ejemplo, a una presión 100 veces la presión
atmosférica normal, el punto de fusión del hielo es sólo 1 °C menor que a una
presión normal. A presiones más altas, sin embargo, se forman varias
modificaciones alotrópicas o alótropos (diferentes formas de un elemento
existentes en el mismo estado físico) del hielo.
Estas formas se designan como Hielo II, Hielo III, Hielo V, Hielo VI y Hielo
VII. El hielo ordinario es el Hielo I. Esos alótropos son más densos que el agua y
sus puntos de fusión aumentan al aumentar la presión. A unas 6.000 atmósferas,
el punto de fusión vuelve a ser de 0 °C, y a una pr esión de 20.000 atmósferas, el
punto de fusión se eleva por encima de los 80 °C 1.
1 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM.
4
En la tabla 1.1 se describe las propiedades del hielo; como son densidad,
calor específico, calor latente de fusión, punto de fusión de los tipos de hielo que
se fabrican, conductividad térmica.
Tabla 1.1. Propiedades del hielo2.
Propiedades Unidades
métricas Observaciones
Densidad
Hielo de agua dulce 0,92 kg/l3 A 0°C
0,92 t/m Hielo de agua de mar
0,86–0,92 t/m3 Depende de la salinidad y de la cantidad de aire
atrapada.
Calor específico:
0°C 0,49
-20°C 0,46
Para calcular la cantidad de hielo que se ha de
emplear con el pescado es suficientemente exacto
un valor de 0,5. El calor específico del hielo de
agua de mar puede ser mucho mayor cerca del
punto de fusión.
Calor latente de fusión 80 kcal/kg
Conductividad térmica kcal/mh°C
0°C 1,91
-10°C 1,99
-20°C 2,08
Punto de fusión 0°C El punto de fusión del hielo de agua de mar es
indeterminado, porque el contenido salino rara vez
es uniforme en todo el hielo, de alrededor de -2°C.
Hielo en bloques 1,4
Hielo en bloques
machacado 1,4–1,5
Hielo en escamas 2,2–2,3
Hielo en tubos 1,6–2,0
Hielo en placas 1,7–1,8
Fuente: Internet
Elaborado por: CHICAIZA-CHUNGANDRO
2 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM.
5
1.4.2 ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIELO
Las moléculas de agua a presión atmosférica se estructuran de manera
tetraédrica en función del enlace de hidrógeno.
Esto ocasiona que al momento de solidificarse el agua las moléculas se
amontonan de manera compacta. El cristal de hielo tiene una estructura
hexagonal espaciada (a = 7,5 Å, c = 7,3 °Å). Esta estructura se denomina "hielo
1h" o "hielo Ih".
Además de esta estructura el hielo a presión y temperatura diferentes a la
atmosférica adopta otras estructuras como se puede observar en la tabla 1.2.
En la figura 1.1 se muestran algunos de los cristales de hielo que fueron
estudiados por Wilson Bentley en 1902.
Figura 1.1. Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentley en 19023
3http.//www. Guiadelfrio.com.
6
Tabla 1.2. Estructuras del hielo4.
Hielo Temperatura y
Presión
Estructura Densidad aprox.
(g/cm 3)
Hielo 1c Baja Temperatura cúbica de facetas
centradas
0.9
Hielo II Baja
Temperatura
ortorrómbica
centrado
1.2
Hielo III Baja
Temperatura
tetragonal 1.1
Hielo V Baja
Temperatura, alta
presión
monoclínica de
base centrada
1.2
Hielo VI Baja
Temperatura, alta
presión
tetragonal 1.3
Hielo VII Alta temperatura,
alta presión
cúbico sencilla 1.7
Hielo VIII Alta presión tetragonal
centrada
1.6
Hielo IX Alta presión tetragonal 1.2
Hielo XII Baja
Temperatura, alta
presión
tetragonal 1.3
Fuente: Internet
Elaborado por: CHICAIZA-CHUNGANDRO
En la figura 1.2 se muestra el diagrama de fase del hielo, y se explica la
diferente forma cristalina que adopta el hielo en función de la presión y la
temperatura.
4 http://www.es.wikipedia.org/wiki/hielo.
7
Figura 1.2. Diagra ma de fase del hielo — la escala de las presiones es logarítmica5.
1.4.2.1 Fusión Eutéctica.
Durante la época de invierno para la remover hielo es frecuente agregar sal
para que se funda, lo que se funde es un compuesto de hielo y sal llamado
eutéctico.
Al momento que la sal NaCl (Na+, Cl–) entra en contacto con el hielo, los
iones positivos y negativos son atraídos por los iones de las moléculas de agua
(H2δ+, Oδ-) formando de esta manera un nuevo compuesto que es (H2O).(NaCl) ;
para este arreglo hacen falta solamente unos pequeños movimientos de átomos,
y se hace por lo tanto en fase sólida. Cuando se respetan las proporciones
exactas (alrededor del 77 % de sal en masa), se tiene un producto que se
comporta como producto puro (particularmente, hay una temperatura de fusión
constante) y que se califica de "eutéctica". La temperatura de fusión de esta
eutéctica es de alrededor de –21 °C.
5 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM
8
Si la proporción de sal es inferior a esta relación, se da una mezcla agua-
eutéctica, que se funde a una temperatura superior (entre –21 y 0 °C). Si la
proporción de sal es superior, se tiene una mezcla sal-eutéctica que también se
funde a una temperatura superior. Se puede trazar un diagrama, llamado
diagrama de fase, que representa la temperatura de fusión en función de las
proporciones agua-sal.
El nuevo compuesto agua + sal → eutéctica no puede darse sino en los
puntos de contacto entre los cristales de hielo y de sal, o sea en la superficie del
hielo. Se forma así una capa superficial de eutéctica que se funde (si la
temperatura es superior a –21 °C). Como la sal está en sobresaturación, se
disuelve en la eutéctica fundida y puede reaccionar con el hielo que se encuentra
sobre la película líquida. El fenómeno se propaga entonces hasta que falta agua o
sal para formar una nueva eutéctica.
1.4.2.2 Descenso crioscópico
El descenso crioscópico es la reducción del punto de fusión de un
disolvente puro por la presencia de solutos. Es directamente proporcional a la
molalidad, lo que hace que sea más importante para solutos iónicos, como los
que predominan en el agua de mar, que para los no iónicos. El fenómeno tiene
importantes consecuencias en el caso del agua de mar, porque la respuesta al
enfriamiento intenso del agua del océano, como ocurre en el invierno de las
regiones polares, es la separación de una fase sólida flotante de agua pura en
forma de hielo. Es así como se forma la banquisa en torno a la Antártida o al
océano Ártico, como un agregado compacto de hielo puro de agua, con salmuera
llenando los intersticios, y flotando sobre una masa de agua líquida a menos de
0ºC (hasta un límite de –1,9 °C para una salinidad del 3.5%).
9
Figura 1.3. Diagrama de fase agua-sal a presión atmosférica; la eutéctica se forma en una proporción de
agua de 0,2331 en masa (23,31 % de agua y 76,69 % de sal en masa)6
1.4.3 FABRICACIÓN DEL HIELO.
Para la fabricación del hielo se puede utilizar tanto agua de mar como agua
dulce.
1.4.3.1 Elección del tipo de agua que se va utilizar en la fabricación de hielo.
Dependiendo del sitio en el que se encuentra la instalación para la
fabricación del hielo se va elegir la materia prima, de esta manera si cuenta con
una instalación en el mar lo ideal sería fabricar hielo con agua de mar como
materia prima; pero si la instalación se encuentra ubicada en tierra con cercanía al
mar la decisión dependerá de varios factores, tales como la disponibilidad de un
6 dialnet.unirioja.es/servlet/artículos.
10
suministro constante, la ubicación de la fábrica de hielo y el uso previsto de éste
(por ejemplo, a bordo de embarcaciones de pesca o en tierra). Sea cual sea el
tipo de agua utilizada, se debe tener presente que el hielo producido entrará en
contacto directo con los alimentos.
1.4.3.1.1 Ventajas y Desventajas del uso de hielo elaborado con agua de mar.
El hielo que se fabrica con agua de mar está enfocado directamente para
enfriar el pescado.
• Se puede fabricar en el mar o en tierra, donde haya grave escasez de agua
dulce o donde ésta sea costosa.
• Puesto que el espacio en las embarcaciones de pesca es limitado, la
capacidad de fabricar hielo cuando se necesite y sólo si se necesita, en
lugar de tener que prever las necesidades antes de salir a pescar, puede
ofrecer ventajas prácticas.
• El hielo de agua de mar permite conseguir temperaturas de
almacenamiento ligeramente menores, por lo que es posible prolongar el
tiempo de conservación del pescado. Las máquinas de hielo en escamas
que se comercializan, pueden fabricar hielo de agua de mar con una
temperatura que oscila entre -9 °C y -20 °C y un co ntenido de sal variable.
Sin embargo, existen algunas desventajas importantes, como las siguientes:
• El hielo de agua de mar no es homogéneo y, al almacenarlo, se puede
convertir en una mezcla de cristales de hielo y solución salina enfriada,
cuya consistencia es semifluida. A medida que la temperatura aumenta, se
produce una lixiviación de la salmuera. Por lo tanto, el hielo de agua de
mar no tiene un punto de fusión fijo (-1,5 °C a -2 °C para el hielo de agua
de mar con un contenido de sal del 3 al 3,6 por ciento) y las pérdidas, por
fusión y por lixiviación de la salmuera, dependerán de la temperatura de
almacenamiento.
11
• La temperatura variable que posee el hielo de agua de mar ocasiona que el
pescado se congele en parte y de que absorba la sal, esto es más riesgo
en el caso de los peces de piel delgada.
• Para obtener hielo de la mejor calidad, resulta necesario utilizar máquinas
diseñadas específicamente para la producción de hielo de agua de mar.
Los costos de adquisición y manejo de estas máquinas son habitualmente
mayores que los de las máquinas diseñadas para la fabricación de hielo de
agua dulce.
1.4.3.1.2 Máquinas de Hielo de agua de mar.
La máquina que más se utiliza a bordo de embarcaciones de pesca es la
máquina de hielo en escamas.
Para la elaboración de hielo con agua de mar, lo apropiado es contar con
instalaciones a bordo de las embarcaciones. En el diseño de una máquina de
hielo de agua de mar instalada a bordo se debe analizar algunos factores como
son:
• La planta debe poder funcionar y fabricar hielo en condiciones extremas de
cabeceo y balanceo de las embarcaciones de pesca.
• Fabricada con materiales no corrosivos para resistir al medio marino.
• El equipo debe funcionar a una temperatura inferior a la de las máquinas
de fabricación de hielo de agua dulce, generalmente entre -18 y -21 °C, ya
que la temperatura de congelación del agua de mar es inferior a la del agua
dulce.
1.4.3.1.2.1 Ventajas y Desventajas de tener una Máquina de hielo con agua de mar a
bordo.
El contar con una máquina de hielo con agua de mar a bordo tiene ventajas
en especial para los pescadores:
• Permiten mayor flexibilidad en el volumen de capturas y en la duración de
la salida de pesca.
12
• El mantenimiento de la máquina y producción de hielo resulta más
económico.
• Los pescadores dejan de depender para sus salidas de pesca del hielo que
suministran las fábricas instaladas en tierra, ya que fabrican hielo cómo y
cuándo lo necesitan.
• La posibilidad de producir hielo a bordo puede resolver los problemas que
surgen cuando una embarcación que se ha cargado con hielo en la costa
vuelve a tierra con un volumen de pesca escaso o nulo. En muchos países,
el costo del hielo puede suponer un porcentaje considerable de los gastos
de explotación.
Las principales desventajas son las siguientes:
• Los costos de adquisición e instalación de la máquina y de los equipos
auxiliares que pudieran ser necesarios, tales como grupos electrógenos
auxiliares, transportadores, etc.
• El hielo se fabrica generalmente con agua salada, lo que puede afectar a
ciertas especies de peces debido a la absorción de sal por el producto.
• El hielo, y por tanto las capturas, puede contaminarse si no se tiene
cuidado de utilizar únicamente agua de mar limpia.
• El mantenimiento de la máquina requerirá ciertos conocimientos técnicos
especializados.
• Se necesita energía eléctrica adicional.
• Se necesita mano de obra y servicios de mantenimiento especializados
(preferiblemente a bordo de la embarcación).
1.4.3.2 Tipos de hielo y su fabricación.
Entre los principales tipos de hielo se tiene:
• Hielo en bloques.
• Hielo en bloques de fabricación rápida.
• Hielo en escamas.
• Bloques de trozos pequeños de hielo compactados.
13
• Hielo fundente.
• Hielo en Tubos.
• Hielo en Placas.
1.4.3.2.1 Hielo en bloques.
La fabricación de hielo en bloques se inició en el año de 1869, es un
proceso que consiste en rellenar moldes de metal con agua para luego
sumergirlos en un baño de salmuera refrigerada a una temperatura inferior a la
de congelación del agua, se necesita varias horas para obtener los bloques de
hielo. Para el baño de salmuera se utiliza generalmente cloruro sódico o cálcico.
La producción de hielo en bloques es una operación discontinua; una vez
vaciados, los moldes se vuelven a rellenar de agua y se vuelven a colocar en el
depósito de salmuera durante otro período de congelación. Las ventajas
principales del hielo en bloques frente a otros tipos de hielo son las siguientes:
• Hielo en bloques es de fácil almacenamiento, manipulación y transporte.
• Punto de fusión relativamente bajo, por lo que las pérdidas durante el
almacenamiento y la distribución son mínimas.
• Menor espacio para almacenar.
• Se puede reducir a partículas más pequeñas para su utilización mediante
una trituradora.
• El Mantenimiento de la instalación no requiere de mayor cuidado.
Las principales desventajas de la producción de hielo en bloques son las
siguientes:
• Se requieren períodos de tiempo largos para completar la congelación del
agua en los moldes (de 8 a 36 h para bloques de 12 a 140 kg);
• Altos costos de mano de obra y las operaciones requieren atención
continua.
• No es un proceso automático ni continuo y se tarda bastante en empezar a
producir hielo desde su puesta en marcha.
14
• Las instalaciones ocupan más espacio que las modernas máquinas de
hielo automáticas.
• Se necesitan salmueras para reducir la corrosión del equipo.
El tiempo requerido para la congelación de un bloque de hielo dependerá
del espesor del mismo. Así por ejemplo para producir un bloque de 140kg se
necesita un promedio de 36 horas de tiempo de congelación. En general, cuanto
más grueso sea el bloque de hielo, mayor será el tiempo de congelación.
La Figura 1.4. Ilustra la relación entre el espesor del hielo producido y el
tiempo necesario para su congelación en condiciones típicas de fabricación de
hielo en bloques.
Figura 1.4. Relación entre el grosor del hielo producido y el tiempo de congelación7.
En la siguiente figura 1.5 se observa las partes que constituyen una fábrica
de bloques de hielo.
7 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM
15
Figura 1.5. Fábrica de bloques de hielo.8
1.4.3.2.2 Hielo en bloques de fabricación rápida.
Debido a que los periodos para obtener bloques de hielo son largos, se ha
desarrollado máquinas de hielo de producción rápida.
En este proceso en lugar de sumergir los moldes para el hielo en el
depósito de salmuera, utiliza un refrigerante que circula por la camisa externa de
cada molde a través de tuberías que recorren el interior de los moldes.
Se forma hielo simultáneamente en todas las superficies refrigeradas en
contacto con el agua. Una vez finalizado el ciclo de congelación, los bloques se
liberan rápidamente del molde mediante un sistema de descongelación con gas
caliente y se extraen por gravedad.
Las ventajas de las máquinas de producción rápida de hielo en bloques son:
• Las máquinas ocupan espacios pequeños.
• Relativa sencillez de las operaciones de puesta en marcha y parada.
8 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM.
16
Las desventajas de las máquinas de producción rápida es:
Alto costo de adquisición, funcionamiento y mantenimiento.
1.4.3.2.3 Hielo en escamas.
Es hielo seco y subenfriado en fragmentos pequeños planos con forma de
oblea irregular. Este tipo de hielo pequeño se fabrica rociando o vertiendo agua
sobre una superficie refrigerada, que habitualmente tiene forma de cilindro o
tambor. El agua se congela sobre la superficie formando capas delgadas de hielo
(de 2 a 3 mm de espesor).
Una cuchilla retira el hielo subenfriado, que se fragmenta en pequeños
trozos semejantes a esquirlas de cristal. Normalmente, estos trozos de hielo caen
desde el tambor directamente a un compartimiento refrigerado para su
almacenamiento. El cilindro refrigerado puede girar en un plano vertical u
horizontal.
En la figura 1.6 se puede observar una máquina para producir hielo en escamas.
17
Figura.1.6 Máquina de hielo de tipo "Coldisc"9
Las principales ventajas del hielo en escamas son las siguientes:
• El hielo en escamas posee una superficie mayor de intercambio de calor m
que los demás tipos de hielo y, por lo tanto, la transferencia de calor entre
el pescado y el hielo se produce con mayor rapidez y eficacia.
• El hielo en escamas está ligeramente subenfriado (entre -5 y -7 °C),por lo
que puede ceder 83 kcal por 1kg al fundirse transformándose en agua; por
consiguiente, puede extraer un poco más de calor que otros tipos de hielo
cuya temperatura es de 0 °C (80 kcal por kg).
• Fácil de almacenar y manipular si se dispone de un recipiente
termoaislado, subenfriado (-5 °C) y debidamente dis eñado para su
almacenamiento.
9 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM
18
• La máquina es pequeña y compacta, menor espacio que las de hielo en
bloques.
• La fabricación de hielo comienza al poco tiempo de poner la máquina en
marcha.
• El hielo puede usarse inmediatamente después de su fabricación.
Sin embargo, el hielo en escamas tiene ciertas desventajas frente al hielo en
bloques. Por ejemplo:
• La máquina es menos robusta y más compleja, y se necesitan personal
que tenga conocimientos de mantenimiento.
• Debido a su mayor superficie, el hielo en escamas se funde más
rápidamente.
• El hielo en escamas requiere mayor espacio de almacenamiento.
• El hielo producido ha de ser pesado antes de su venta, en lugar de ser
vendido por unidades.
1.4.3.2.4 Bloques de trozos pequeños de hielo compactados.
Es tipo de hielo se utiliza cuando la distancia de transporte es larga, para
esto se utiliza máquinas que compactan fragmentos pequeños o escamas de
hielo. Estas máquinas compactan el hielo en trozos pequeños, formando bloques
de tamaños normalizados y se pueden instalar con facilidad en pequeñas fábricas
de hielo situadas en tierra.
Las ventajas que se obtienen al utilizar este tipo de hielos son:
• Fácil manipulación por parte de los pescadores.
• Se puede llevar a bordo de embarcaciones pequeñas.
• Fácil de romper en fragmentos pequeños cuando se necesita.
19
1.4.3.2.5 Hielo Fundente.
Se define como una mezcla fluida de cristales de hielo en agua. El hielo
fundente se forma por congelación de los cristales a partir de una salmuera con
concentración baja en un intercambiador de calor tubular; la salmuera que se
utiliza tiene una concentración del 3 al 5 por ciento de NaCl por lo que se puede
utilizar el agua de mar. Los cristales que se obtienen son de forma redonda o
elíptica con un diámetro comprendido entre 0.2 a 1.3mm, estos cristales se
forman en la superficie del tubo interior y son transportados por un tornillo giratorio
desde el intercambiador de calor a un depósito almacenamiento con agua.
La mezcla de hielo y agua resultante se puede bombear desde los
depósitos de almacenamiento mediante tuberías o mangueras a la zona de
enfriamiento del pescado o directamente a un recipiente termoaislado. La
densidad y fluidez del hielo fundente se pueden ajustar regulando la cantidad de
agua añadida, de modo que se puede adaptar a distintos usos. En la figura 1.7 se
puede observar una fábrica de producción de hielo fundente.
El hielo fundente tiene algunas ventajas entre estas:
• Por la mayor capacidad de transferencia de calor, asegura un enfriamiento
más rápido y uniforme del pescado hasta una temperatura de 0 °C o
inferior.
• Proporciona un mejor contacto del hielo con la superficie del pescado sin
grietas ni daños por aplastamiento.
• Se afirma que la contaminación del hielo se reduce significativamente
gracias a que el sistema formado por la máquina de hielo y el depósito está
diseñado como un conjunto herméticamente cerrado.
• El hielo se puede bombear directamente a donde haga falta, por lo que se
elimina la necesidad de disponer de espacio para su almacenamiento.
20
Figura. 1.7. Fábrica de hielo fundente.10
1. Depósito de hielo
2. Conducto de descarga de hielo
3. Depósito de suministro de hielo fluido (opcional).
4. Bomba de suministro de hielo fluido (opcional).
5. Sistema de control de la salmuera.
6. Panel de control opcional instalado en pared.
7. Estación de bombeo.
8. Generador de hielo.
10 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM
21
1.4.3.2.6 Hielo en tubos.
El hielo en tubos se forma en la superficie interna de unos tubos verticales y tiene
la forma de pequeños cilindros huecos de un 50 × 50 mm, con paredes de 10 a 12
mm de espesor.
La máquina de hielo en tubos es semejante a la de un condensador
acorazado y tubular, con agua dentro de los tubos y el refrigerante afuera, en el
espacio circundante. Para desprender el hielo de los tubos se utiliza un proceso
denominado desescarchado con gas caliente.
El hielo en tubos no es recomendable para el enfriamiento del pescado
debido a que las partículas son grande, por lo que se requiere de una trituradora
para obtener partículas del tamaño que convenga al cliente. Una máquina típica
para hacer hielo en tubos se observa en la figura 1.8.
Figura 1.8. Máquina de hacer hielo en tubos11
11 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM.
22
1.4.3.2.7 Hielo en placas.
El hielo en placas se forma en una de las caras de una placa vertical
refrigerada y se desprende haciendo circular agua por la otra cara para
desescarcharlo. El agua para realizar el proceso de desescarchado debe tener
una temperatura de 25°C. Existen sistemas que forma n hiel en ambas superficies
y el desescarchado es interno.
Una máquina de hacer hielo en placas comprende múltiples láminas, que
con frecuencia son unidades autónomas situadas encima de la maquinaria de
refrigeración, el espesor que se obtiene de hielo en placas está entre 10 a 12 mm
con tamaño variable de partículas.
1.4.4 UTILIZACIÓN DEL HIELO EN LA PESCA.
Un proceso adecuado de conservación de las especies capturadas
posibilita un aumento efectivo de la duración de las mismas.
Por consiguiente, al utilizar técnicas de enfriamiento, como el uso de hielo,
beneficia económicamente a la embarcación y a su tripulación.
Los productos que lleguen al mercado en buenas condiciones de
conservación alcanzan generalmente precios más altos, tanto en el comercio
mayorista como minorista, y generan, en consecuencia, un mayor rendimiento
económico de la actividad pesquera.
En el caso de pequeños pescadores para conservar su captura en buen
estado tienen instalado en sus embarcaciones cajones termoaislados donde
transportan el hielo. Los grandes barcos de pesca generalmente cuentan con una
planta a bordo de producción y almacenamiento de hielo.
1.4.4.1 Enfriamiento o congelación del pescado
Uno de los métodos estrechamente relacionados con el enfriamiento es la
congelación. Hay numerosos factores que deben tenerse en cuenta al analizar las
23
diferencias entre el enfriamiento y la congelación de productos pesqueros para
diversos mercados.
Tanto el enfriamiento como la congelación pueden generar productos
estables y la elección de uno u otro método dependen de muchos factores.
1.4.4.2 Los efectos conservantes del enfriamiento del pescado
La disminución de la temperatura como medio de conservar el pescado y
los productos pesqueros tiene una gran importancia para los mercados locales
como para mercados de exportación.
Para un mejor entendimiento acerca de la conservación del pescado se
define la palabra enfriamiento.
Enfriamiento es el proceso de refrigeración de pescado o productos
pesqueros hasta una temperatura próxima a la de fusión del hielo.
El enfriamiento tiene como finalidad prolongar el tiempo de conservación
del pescado, reduciendo la actividad de enzimas y bacterias, procesos químicos
y físicos que pueden afectar a la calidad.
El pescado fresco es un alimento extremadamente perecedero y se
deteriora con gran rapidez a las temperaturas normales. La reducción de la
temperatura de almacenamiento del pescado disminuye su tasa de deterioro.
Durante el enfriamiento, la temperatura se reduce hasta la de fusión del hielo:
cero grados centígrados 0 °C (32 °F).
La tabla 1.3 indica algunas de las ventajas e inconvenientes de los dos
métodos; puede usarse como guía para decidir si el enfriamiento o la congelación
es la opción más idónea en una situación determinada.
24
Tabla 1.3.Ventajas e inconvenientes del enfriamiento y la congelación
Enfriamiento Congelación
Almacenamiento a corto plazo (hasta un
máximo de un mes para algunas especies,
sólo unos pocos días para otras)
Almacenamiento a largo plazo
(un año o más para algunas
especies)
Temperatura de almacenamiento: 0 °C Temperatura de almacenamiento
muy inferior a cero, por ejemplo:
-30 °C
Relativamente barato Relativamente cara
El producto es similar al pescado fresco Si se realiza de forma incorrecta,
puede afectar negativamente a
la calidad
Tecnología relativamente sencilla Tecnología relativamente
compleja
No se necesitan conocimientos avanzados Se necesitan conocimientos
avanzados
Refrigeración portátil Operaciones generalmente fijas
Fuente: Internet
Elaborado por: CHICAIZA-CHUNGANDRO
Lo común que se utiliza para el enfriamiento del pescado es el hielo.
Además del hielo se puede usar el agua enfriada, las mezclas fluidas de hielo y
agua (de mar o dulce) y el agua de mar refrigerada.
Para aprovechar al máximo las ventajas del enfriamiento, es fundamental
mantener temperaturas bajas durante todas las diversas operaciones de
manipulación del pescado.
Cuando se utiliza hielo para enfriar el pescado el período de conservación
en relación con la congelación, el enlatado, la salazón o el secado es corto.
25
El uso de hielo para conservar el pescado y los productos pesqueros a bordo
de embarcaciones de pesca es un método de manipulación de eficacia
comprobada, por los motivos siguientes:
• Puede obtenerse hielo en muchas zonas pesqueras o puertos.
• Existen diferentes productos adaptados a las diferentes necesidades (por
ejemplo, con frecuencia se fabrican bloques de hielo de diferentes tamaños
y se vende hielo al peso, listo para usar, triturado, fragmentado o en trozos
pequeños).
• La capacidad de enfriamiento del hielo es muy alta.
• El hielo es inocuo y, por lo general, relativamente barato.
• El hielo puede mantener una temperatura muy constante.
• El hielo puede mantener el pescado húmedo y, al fundirse, puede limpiar el
pescado, arrastrando las bacterias presentes en su superficie.
• El hielo puede transportarse de un lugar a otro y su efecto refrigerante
puede utilizarse allá donde se necesite.
• El hielo puede elaborarse en tierra y utilizarse en el mar.
Debido a que el almacenamiento de pescado a bordo de embarcaciones
requiere de mucha mano de obra se han introducido otros métodos para reducir el
tiempo y el trabajo necesarios, los más utilizados de los cuales son el AMR ( agua
de mar refrigerada) y el AME (agua de mar enfriada).
El AMR es un método de enfriamiento aceptable que reduce las
necesidades de mano de obra, pero requiere sistemas mecánicos de
refrigeración, bombeo y filtración a bordo, además de ser relativamente costoso.
El AME se aplica al momento de salir a pescar, se carga en el barco una
cantidad de hielo suficiente; primero se mezcla el hielo con agua de mar para
producir una mezcla fluida de hielo y agua que después se añade al pescado.
Cada vez se utiliza más el AME como método de enfriamiento en pequeñas
embarcaciones de pesca. Por ejemplo, barcos de tan sólo 10 m de eslora utilizan
este sistema para conservar las especies de gran valor en condiciones óptimas
tras su captura. La temperatura media de los depósitos de AME se controla
26
añadiendo hielo para reducir la temperatura del agua de mar y la de los peces a
medida que se capturan.
Los métodos AME y AMR poseen un enfriamiento rápido, menores daños
físicos al pescado y una manipulación más rápida con menos mano de obra, pero
requieren más instalaciones especiales a bordo y, por lo general, sólo resultan
adecuados para los casos en que deben manejarse grandes cantidades de
pescado en poco tiempo.
La Figura 1.9 muestra una comparación típica de los perfiles de
temperatura de un pescado entero de tamaño mediano enfriado en hielo triturado,
AMR y una mezcla fluida de hielo y agua.
Según estos datos, el medio de enfriamiento más rápido y eficaz es la
mezcla fluida de hielo y agua, seguida del AMR. La tasa de enfriamiento del hielo
es la menor de las tres, debido a un menor contacto del hielo con el pescado (se
crea una capa de aire alrededor del pescado durante la fusión del hielo).
27
Figura 1.9. Comparación de los perfiles de temperatura de pescado redondo (1,6 kg/pieza) enfriado en hielo
triturado, AMR y mezcla fluida de hielo y agua12
La tasa de enfriamiento depende de los siguientes factores:
• Tamaño, forma y grosor del pescado
• Método de estiba.
• Combinación adecuada de hielo, agua y pescado (en las mezclas fluidas
de hielo y agua).
• Contacto adecuado del hielo con el pescado.
• Tamaño de las partículas de hielo.
12 http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM.
28
CAPITULO II
2.1 LA PICADORA DE HIELO
Una picadora de hielo es una máquina que permite reducir grandes trozos
de hielo en partes más pequeñas dependiendo de las necesidades del
consumidor.
Los diferentes procesos de reducción de tamaño persiguen esta finalidad
por medios mecánicos.
2.2.1 FUNCIONAMIENTO DE LA PICADORA DE HIELO.
El principio básico de funcionamiento de una picadora se basa en la acción
de cizalla producida por una o varias cuchillas acopladas a un eje que gira a gran
velocidad dentro de una cámara cilíndrica, las cuchillas dispuestas sobre el eje
motriz constituyen el rotor de la máquina.
El tamaño de hielo picado dependerá de la velocidad del rotor y el tamaño
de las cuchillas (ver ANEXO 1). En la figura 2.1 se observa una picadora de hielo
sencilla.
29
Figura 2.1. Picadora de hielo.13
2.2.2 REDUCCIÓN DE TAMAÑO
La reducción de tamaño se relaciona directamente con los procesos
mecánicos en los cuales las partículas de sólidos se rompen en partículas de
tamaño menor.
En el proceso de reducción de tamaño el sólido se encuentra sometido
bajo la acción de varias cargas, que son absorbidas en forma de energía de
deformación.
La operación de disminución o reducción de tamaños consiste en la
producción de unidades de menor masa a partir de trozos mayores; para ello hay
que provocar la fractura o quebrantamiento de los mismos mediante la aplicación
13 www.fao.org/docrep/008/y5013s.htm.
30
de presiones. En el cuadro 2.1 se pueden apreciar los tipos de ruptura de sólidos,
y los equipos que se utilizan.
Figura 2.2. Reducción de Tamaño, ruptura, y equipos.14
• Razones para la reducción de tamaño:
- Facilitar la extracción de un constituyente deseado.
- Puede ser una necesidad específica del producto.
- Aumentar la superficie del sólido.
- Favorecer la mezcla de ingredientes.
2.2.2.1 Fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño.
En los procesos mecánicos de reducción de tamaño se distinguen
generalmente fuerzas de compresión, impacto o corte, cuyas magnitudes y tiempo
de aplicación afectan directamente a la cantidad de material reducido que se
obtiene.
14 http://html.rincondelvago.com/reduccion-del-tamano-de-solidos.html.
31
Las técnicas de reducción de tamaño son:
• COMPRESIÓN: Es utilizada para la reducción gruesa de sólidos duros,
genera productos gruesos, medios o finos.
• CORTE: Se utiliza cuando se requiere un tamaño definido de partículas.
Las fueras de corte se utilizan extensamente para molienda fina en
aparatos de trituración de sustancias blandas no abrasivas.
• FROTACIÓN O ROZAMIENTO: Genera productos finos a partir de
materiales blandos no abrasivos.
• IMPACTO: Esta técnica consiste en el choque de las partículas para la
disminución de su tamaño.
Figura 2.2. Fuerzas utilizadas en la reducción de tamaño.15
2.2.2.2 Variables que intervienen en la reducción de tamaño.
ALIMENTACIÓN OBSTRUIDA: El desintegrador está equipado con una tolva
alimentadora que se mantiene siempre llena de modo que el producto no se
descarga libremente, lo que hace que aumente la proporción de finos y disminuye
la capacidad de producción.
CONTENIDO DE HUMEDAD: En la etapa grosera e intermedia los materiales no
deben exceder el 4% de humedad. En la etapa más fina de reducción de tamaño
se aplica una molienda húmeda.
TRITURACIÓN LIBRE: El producto desintegrado, junto con cierta cantidad de
finos formados, se separa rápidamente de la zona de acción desintegrante
15 www.monografias.com/trabajos55/analisis-volumetrico/analisis-volumetrico.shtml
32
después de una permanencia relativamente corta. Por lo regular el producto de la
molienda sale por una corriente de agua, por gravedad o lanzado por fuerza
centrifuga.
Operación en circuito cerrado: Cuando el material de rechazo es devuelto al
desintegrador.
Operación en circuito abierto: Cuando el material no se devuelve para su
retrituración.
DUREZA Y LA ESTRUCTURA DEL MATERIAL: Las maquinas para trituración
grosera de materiales blandos no necesitan una maquina tan robusta o compleja
como las utilizadas a la trituración de materiales duros.
2.2.2.3 Clasificación de máquinas de reducción de tamaño.
Trituradores bastos : máquinas cuya alimentación son trozos grandes
mayores a 5 cm de diámetro.
Trituradores intermedios : máquinas que no se alimentan de masas muy
grandes y que dan un producto capaz de pasar el tamiz de 40 mallas.
Molinos de finos . Máquinas que dan producto que pasa por el tamiz de
200 mallas.
La máquina Picadora de hielo a diseñar debe realizar una trituración
grosera de material blando (hielo), su operación es en circuito abierto; ya que el
material a picarse es blando la máquina no será compleja ni robusta.
33
CAPÍTULO III
ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO
3.1 INTRODUCCIÓN
Este capítulo tiene como objetivo analizar y seleccionar la alternativa de
diseño más adecuada para construir un prototipo apropiado para obtener hielo
picado.
3.1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
La necesidad surge del sector artesanal pesquero para conservar fresco
su producto, por lo que se requiere diseñar una máquina que permita obtener
hielo picado para el almacenamiento y/o transporte adecuado de algunas
variedades de mariscos. Actualmente en el Ecuador no existen registradas
picadoras de hielo para esta aplicación que sean económicamente accesibles y
de fácil operación.
El sistema deberá ser capaz de suministrar la fuerza necesaria capaz de
doblegar la resistencia del hielo a ser cortado, entendiéndose como sistema al
conjunto motriz, conjunto de corte y materiales que en este intervienen. La
disponibilidad de los elementos que conforman la máquina puede ser un limitante
en cuanto a la mejor manera de diseñarla y construirla, es por esto que se
considera un aporte importante para el desarrollo de las capacidades de los
futuros ingenieros.
3.1.2 ESTUDIO DE MERCADO
El estudio de mercado se realiza para obtener información de los
requerimientos de la máquina picadora de hielo. El método de investigación que
se utiliza es la encuesta; la misma que se realiza a los pescadores artesanales.
34
Mediante estas encuestas se simplifica el análisis de las necesidades del
mercado y permite desarrollar un análisis estadístico para obtener las mejores
conclusiones.
3.1.3 ENCUESTAS REALIZADAS
Ver ANEXO 2.
3.1.4 ANÁLISIS DE LOS RESULATADOS OBTENIDOS EN LAS ENCUESTAS
REALIZADAS.
Pregunta 1.- ¿Utiliza Ud. Hielo para conservar su captura?
De las personas que han sido encuestadas, el 100% utiliza hielo para
conservar sus productos que obtienen en la pesca artesanal.
PREGUNTA 1
Figura 3.1. Porcentaje pregunta 1.
Pregunta 2.- Del siguiente listado de tipos de hielo marque aquellas
opciones de los que usted utiliza para la conservación de su pescado.
35
En esta pregunta 48 personas adquieren hielo en bloques picado. Los
pescadores artesanales para conservar su pesca utilizan bloques de hielo, ya que
en su mercado es el más económico y fácil de adquirir.
El inconveniente que se les presenta es que manualmente tienen que
picarlo.
PREGUNTA 2
Figura 3.2. Porcentaje pregunta 2.
Pregunta 3.- Tamaño de hielo óptimo que se requiere.
Se grafica el número de marcas que tiene cada una de las opciones.
TAMAÑO MARCAS
1 a 10mm 36
10 a 20mm 14
20 a 30mm 0
36
PREGUNTA 3
Figura 3.3. Porcentaje pregunta 3.
Pregunta 4.- Capacidad de la máquina picadora de hielo.
En esta pregunta 40 personas se inclinaron por 110 kghielo/min. Esto se
realizo en base al tamaño del bloque de hielo el mismo que posee
160x370x1000mm; por lo que requieren que se pique dos bloques de hielo en 1
minuto.
Se grafica el número de marcas por opciones.
CAPACIDAD Kghielo/min MARCAS
55 8
110 40
220 2
37
PREGUNTA 4
Figura 3.4. Porcentaje pregunta 4.
Pregunta 5.- ¿Usted estaría dispuesto a adquirir una máquina picadora de hielo?
De las personas encuestadas, 37 estarían dispuestos a adquirir una
máquina picadora de hielo que sea económicamente accesible; además en la
zona no existe lugares donde se pueda obtener hielo picado con facilidad.
PREGUNTA 5
Figura 3.5. Porcentaje pregunta 5.
38
3.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES
El diseño adecuado debe satisfacer los siguientes requerimientos
funcionales:
• La máquina debe procesar un bloque de hielo y entregar hielo picado de
forma continua.
• Al trabajar con hielo (bajas temperaturas y humedad), los materiales que se
escojan deben presentar elevada tenacidad y resistencia a la corrosión.
• La máquina debe ser de fácil operación para involucrar un mínimo de
personas.
• Al ser diseñada para el sector artesanal, la máquina debe ser de fácil
transportación, montaje, desmontaje y mantenimiento.
• La máquina operará especialmente en sectores costeros, la costa
ecuatoriana presenta una humedad relativa promedio aproximada de 80%
y una temperatura que oscila entre los 12ºC y los 35ºC.
3.3 PARÁMETROS DE DISEÑO
Se considera los resultados de las encuestas y algunos factores dentro de
los parámetros de diseño que son parte fundamental para el diseño y
construcción del prototipo de la máquina picadora de hielo como son:
• La temperatura del hielo al inicio del proceso es 0 ºC.
• Las dimensiones del bloque de hielo antes de procesarlo son: 160 mm de
ancho, 370 mm de alto y 1000 mm de largo.
• El hielo picado debe obtener trozos de aproximadamente 10 mm de arista.
• La capacidad de la máquina es 100 Kg por minuto.
39
3.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN DE
ALTERNATIVAS Y CRITERIO DE PONDERACIÓN
Los factores principales que influyen en la selección de la alternativa más
conveniente son:
• Aspecto económico
• Facilidad de montaje y desmontaje
• Facilidad de construcción
• Facilidad de operación
• Producto terminado
• Mantenimiento
• Versatilidad
3.4.1 ASPECTO ECONÓMICO
El aspecto económico salvo pocas excepciones, siempre es importante en
el diseño, ya que de nada sirve crear proyectos grandes si en la práctica no se
realizan por su elevado costo. Para la determinación del costo del prototipo son
factores predominantes el número de piezas a construir y la manera de
fabricarlas. Se pondera este factor con un valor de 7.
3.4.2 FACILIDAD DE MONTAJE Y DESMONTAJE
La facilidad de montaje y desmontaje, es proporcional al número de piezas
y a la complejidad de las mismas; para la ponderación de este factor se designa
un valor de 8 a la mejor alternativa.
3.4.3 FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN
La facilidad de construcción se refiere a las posibilidades de construir las
partes de la máquina. Este parámetro está directamente relacionado con la
40
disponibilidad de los materiales en el mercado y el tipo de máquinas herramientas
que existen en el taller mecánico donde se construye. Se pondera este factor con
un valor de 9.
3.4.4 FACILIDAD DE OPERACIÓN
Es una característica importante en la cual se debe tomar en cuenta a las
personas que van a trabajar con la máquina es decir a los usuarios de la misma,
en este caso se habla de operarios que no tendrán un alto conocimiento sobre
mecanismos o sistemas mecánicos. Se pondera este factor con un valor de 8.
3.4.5 PRODUCTO TERMINADO
Este parámetro es de gran importancia ya que la mayoría de
representantes del sector artesanal pesquero requieren un tamaño de grano de
hielo semejante a un cubo de 10 mm de arista. Se pondera este factor con un
valor de 10.
3.4.6 MANTENIMIENTO
Cualquier persona antes de adquirir un determinado equipo, artefacto, etc.,
se interesa en conocer cuál será el tipo de mantenimiento que se debe darle,
cada que tiempo tendrá que hacerlo y cuánto se significa económicamente. Estos
justificados razonamientos hacen que el mantenimiento de un equipo sea un
parámetro de diseño a tomarse en cuenta. Se pondera este factor con un valor de
7.
3.4.7 VERSATILIDAD
Se refiere a que el prototipo no solamente va a entregar un solo tamaño de
grano sino que éste puede variar con ciertos acoplamientos o reemplazo de
partes constitutivas de la máquina. Se pondera este factor con un valor de 8.
41
3.5 ESTUDIO DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO
En el diseño se deben tomar en cuenta varias alternativas de solución para
tener una mayor visión y compresión de lo que se tiene que desarrollar, en este
caso se analiza dos alternativas de solución expuestas a continuación.
3.5.1 ALTERNATIVA A: ALIMENTACIÓN POR TOLVA
La alternativa A propone un sistema que es accionado por medio de un
motor eléctrico vertical, éste proporciona el movimiento a un plato porta cuchillas
mediante un sistema de transmisión por poleas.
Esta transmisión se lleva a cabo por dos poleas que se colocan: una
(conductora) en el eje motriz del motor y la otra (conducida) en el eje del plato
porta cuchillas.
La alimentación del hielo es por la tolva y pasa a través del plato porta
cuchillas para ser depositado en una cámara de almacenamiento.
3.5.1.1 Ventajas
• Se puede introducir mayor cantidad de bloques de hielo en la tolva
para una mayor producción.
• La cámara de almacenamiento permite mantener cierta cantidad de
hielo almacenada sin que éste se descongele.
• Permite obtener diferentes tamaños de hielo picado cambiando las
cuchillas en el plato porta cuchillas.
• No requiere de mantenimiento permanente de sus partes.
3.5.1.2 Desventajas
• Se requiere de más de una persona para la introducción del hielo en
la tolva.
42
• El sistema de transmisión cuenta con una polea conductora por lo
que la altura de operación indica que hay pérdidas en la transmisión
de potencia.
• La fabricación de esta alternativa involucra mayor costo porque se
necesita un mayor número de partes y materiales
Figura 3.6. Esquema de la picadora de hielo de alimentación por tolva.
3.5.2 ALTERNATIVA B: ALIMENTACIÓN VÍA CANAL
La alternativa B consta de un motor eléctrico instalado paralelamente a un
cilindro porta cuchillas, cuyo eje va acoplado con el eje motriz del motor
eléctrico.
La alimentación del hielo es a través de un canal inclinado que permite el
deslizamiento del hielo hacia la carcasa en la que se encuentra el cilindro
porta cuchillas.
43
Figura 3.7. Esquema de la picadora de hielo de alimentación vía canal.
3.5.2.1 Ventajas
• Esta alternativa es de fácil operación y requiere de una sola persona
para obtener el hielo picado.
• Permite obtener diferentes tamaños de grano cambiando el cilindro
con sus cuchillas.
44
• No presenta pérdida de potencia en su sistema de transmisión por ir
acoplado directamente el eje del cilindro con el eje motriz.
• Involucra menor costo para su fabricación porque no involucra un
gran número de partes.
• No requiere de mantenimiento permanente de sus partes.
3.5.2.2 Desventajas
• No permite almacenar el hielo picado ya que no posee cámara de
almacenamiento.
• No se puede picar varios bloques de hielo simultáneamente ya que
permite la alimentación de un solo bloque de forma secuencial.
3.6 SELECCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS
Para la selección de la alternativa a construir, se procede a calificar cada
una de las alternativas planteadas, en base en los factores que influyen en la
selección.
En la tabla 3.1 se presenta la valoración de las alternativas.
Tabla 3.1 Valoración de las alternativas de diseño.
PARÁMETROS DE
COMPARACIÓN
ALTERNATIVA
MODELO
ALTERNATIVA
A
ALTERNATIVA
B
Facilidad de montaje y
desmontaje 8 6 7
Facilidad de
construcción 9 5 7
Facilidad de operación 8 6 7
Producto terminado 10 9 9
Mantenimiento 7 7 7
45
Tabla 3.1 (continuación)
PARÁMETROS DE
COMPARACIÓN
ALTERNATIVA
MODELO
ALTERNATIVA
A
ALTERNATIVA
B
Versatilidad 8 7 7
Costo 7 5 6
Suma 57 45 50
Valores técnicos
x = z/zi 1 0.78 0.87
Fuente: PROPIA
Elaborado por: CHICAIZA-CHUNGANDRO
Donde:
Z = Puntaje de las alternativas.
Zi = Puntaje de la alternativa modelo.
De lo expuesto anteriormente y tomando en cuenta los resultados de la
tabla 3.1 se concluye que la mejor alternativa es la B, es decir el prototipo de una
máquina picadora de hielo de alimentación vía canal.
3.7 PROTOCOLO DE PRUEBAS
Una vez concluido el diseño de la picadora de hielo para la industria
artesanal pesquera, se procede a establecer el protocolo de pruebas a las cuales
se debe someter el prototipo cuando ya esté construido para verificar la
funcionalidad del prototipo.
En el protocolo de pruebas se verifican los siguientes aspectos: control de
las dimensiones, prueba de funcionamiento en vacío, prueba de funcionamiento
con carga, capacidad y el tamaño de grano del hielo picado.
Para realizar las siguientes pruebas se utiliza instrumentos de medida
como el flexometro, calibrador pie de rey, cronómetro, además de la inspección
visual. En la tabla (3.2) se detallan las pruebas a realizarse en la máquina.
46
Tabla 3.2 Pruebas a realizarse.
PRUEBA PROCEDIMIENTO INSTRUMENTO
DE CONTROL
Características
físicas
de los
mecanismos
Realizar las mediciones de cada
componente de la picadora de hielo,
para verificar que cumplan las
especificaciones y tolerancias
establecidas en el diseño y no tener
contratiempos en su ensamblaje.
Flexómetro,
Calibrador pie de
rey, micrómetro.
Funcionamiento
de elementos
principales
Verificar el funcionamiento de elementos
tales como: motor eléctrico, inclinación
del plano de deslizamiento, cilindro porta
cuchillas; que por su importancia
influyen en el funcionamiento real del
prototipo
Inspección visual,
escuadra,
flexómetro.
Funcionamiento
en vacío
Verificar cualquier falla en el ensamblaje
de la picadora de hielo en vacío es decir
sin carga alguna; que impidan su normal
funcionamiento.
Inspección visual y
auditiva.
Funcionamiento
con carga
Verificar la capacidad de producción de
la picadora de hielo a plena carga
estimando el tiempo en triturar bloques
sólidos de hielo uniformes para prevenir
problemas en el sistema picador y
transmisión de potencia.
Cronómetro y
balanza.
Tamaño de
grano
Verificar el tamaño y estado del hielo
picado obtenido, además controlar si el
bloque de hielo sólido pasó en su
totalidad por el cilindro porta cuchillas.
Inspección visual y
calibrador pie de
rey.
47
Tabla 3.2 (continuación)
PRUEBA PROCEDIMIENTO INSTRUMENTO
DE CONTROL
Niveles de
vibración y ruido
En caso de vibraciones se observa si las
mismas son excesivas.
El nivel de ruido se mide con un
sonómetro.
Sonómetro,
inspección visual,
auditiva y de tacto
Fuente: PROPIA
Elaborado por: CHICAIZA - CHUNGANDRO
El formato respectivo del protocolo de pruebas se presenta en el ANEXO 3.
48
CAPITULO IV
DISEÑO DE LA PICADORA DE HIELO
Para el diseño de la máquina Picadora de hielo se toma como referencia el
Manual de Diseño Mecánico de SHIGLEY tercera edición, las ecuaciones y
fundamento teórico para el diseño se tomará de este libro.
4.1 ESTUDIO PARA DETERMINAR LA FUERZA QUE SE
REQUIERE PARA PICAR EL HIELO.
La fuerza para picar hielo se establece experimentalmente, para ello se
realiza un ensayo de compresión en la máquina universal del Laboratorio de
Fundición de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica
Nacional.
Para el experimento realizado se procedió a realizar 3 probetas de hielo en
la figura 4.1 se observa las probetas, en la tabla 4.1 se indica las dimensiones de
cada una de las probetas. El peso promedio de las probetas es de 1.2 kg.
a) Construcción de las probetas de hielo. b) Registro de dimensiones de las probetas de hielo
Figura 4.1. Probetas de hielo.
49
En la figura 4.2 se muestra como se encuentra colocado el hielo en la
máquina universal.
a) Colocación de la probeta de hielo en la máquina universal.
b) Realización del ensayo de compresión.
Figura 4.2. Probetas colocadas en la máquina Universal.
Tabla 4.1 Dimensiones de las probetas.
PROBETA 1 PROBETA 2 PROBETA 2
101x100x119 mm 980x100x118 mm 100x101x118 mm
Fuente: PROPIA
Elaborado por: CHICAIZA-CHUNGANDRO
Una vez realizado el experimento se obtiene datos de la fuerza de
compresión que fue necesaria para romper la probeta de hielo, En la figura 4.3 se
observa el momento de rotura del hielo. En la tabla 4.2 se indica los resultados
obtenidos.
50
a) Probeta de hielo después del ensayo de compresión. b) Registro de la fuerza de compresión.
Figura 4.3. Rotura de la probeta de hielo.
Tabla 4.2. Fuerza obtenida en el ensayo de compresión.
PROBETAS FUERZA DE
COMPRESION EN kg.
1 682
2 682
3 682
Fuente: PROPIA
Elaborado por: CHICAIZA-CHUNGANDRO
4.1.1 DETERMINACIÓN DE LA FUERZA DE CORTE.
Para obtener la fuerza de corte del hielo se utilizará las siguientes
ecuaciones.
Esfuerzo de Compresión
A
Fc =σ Ec. (4.1)16
Donde:
F= fuerza de compresión.
A = área de aplicación de la fuerza de compresión.
16 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 2; 3a edición, ecuación 2-12 ; pág. 41.
51
cσ = esfuerzo de compresión
Para encontrar el esfuerzo de corte máximo se utiliza la ecuación 4.2.
στ 5.0= Ec. (4.2)17
Ac
Fc=τ Ec. (4.3)
Donde:
τ =esfuerzo de corte
Fc= fuerza de corte
Ac= área que va cortar.
Se utiliza la Ecuación (4.1), Ecuación (4.2) y Ecuación (4.3), se tiene el
valor del esfuerzo al corte.
Donde A= área de la cara del cubo de hielo, se considera que la sección de
las probetas son de 100*100mm.
[ ]210000100*100 mmA ==
tστ 5.0=
==22
03409.010000
750*5.0
mm
kgf
mm
kgfτ
Se sabe que 1 kgf es 9.8 [N]
=
=22
334.01
8.9*03409.0
mm
N
kgf
N
mm
kgfτ
De acuerdo al parámetro que se obtuvo en la encuesta la picadora de
hielo debe reducir el bloque de hielo a trozos de 1cm * 1cm o más pequeño; por
lo que el área de corte es:
[ ]211*1 cmAc ==
17 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 2; 3a edición, ecuación 2-11 ; pág. 40.
52
El bloque de hielo que se va a picar tiene 370mm de ancho, 160mm de alto
y 1000mm de largo. Para picar el bloque de hielo las cuchillas se colocan
separadas entre ellas 10mm para cubrir el ancho del bloque; para esto se realizó
pruebas de campo; en la figura 4. 4 se muestra la disposición de las cuchillas.
Figura 4.4. Disposición de las cuchillas.
La disposición de las cuchillas indica que se va cortar 18 áreas al mismo
tiempo, por tanto el área total es:
[ ] 22 18001818*1 mmcmAc ===
Se Despeja la ecuación (4.4) la fuerza de corte tenemos:
AcFc *τ=
[ ]Nmmmm
NFc 2.6011800*334.0 2
2==
4.2 DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA QUE SE REQUIERE.
Para la determinación de la potencia que requiere la picadora de hielo se
utiliza las siguientes formulas.
53
VcFcPc *= Ec. (4.4)18
Donde:
Fc= fuerza de corte [N]
Vc= velocidad de corte [m/min]
La velocidad de corte es la distancia que recorre el filo de corte de la
herramienta al pasar en dirección del movimiento principal respecto a la superficie
que se trabaja; la velocidad de corte puede ser rotativa o alternativa, en el primer
caso.
La velocidad de corte o velocidad lineal relativa entre pieza y herramienta
corresponde a la velocidad tangencial en la zona que se está efectuando el
desprendimiento de la viruta, es decir, donde entran en contacto herramienta,
pieza y debe irse en el punto desfavorable.
DnVc π= [m/min] Ec. (4.5)19
Donde:
D = diámetro correspondiente a la pieza o herramienta [m].
n = numero de revoluciones por minuto a que gira la pieza o la herramienta [rpm].
Para cumplir con los requerimientos de capacidad de la máquina, se asume
que para obtener los trozos de hielo de 10mmm se necesita 2 rpm por cada
10mm de hielo picado; entonces de acuerdo a este análisis para picar el bloque
de hielo de 1000mm se requiere aproximadamente 2000rpm.
Se considera que en el mercado local existen motores de 1750rpm, se
trabajara para el diseño con estas revoluciones.
Para obtener el diámetro de la herramienta que se requiere se procede a
obtener el diámetro equivalente con la ecuación 4.6. En la figura 4.5 se muestra la
forma de la cuchilla y sus dimensiones.
18 VELASTEGUI TITO;Folleto de Tecnología Mecánica, Tomo 1,Capitulo 9, pág. 108. 19 VELASTEGUI TITO;Folleto de Tecnología Mecánica, Tomo 1,Capitulo 9, pág. 109.
54
( ) 2/1**707.0*808.0 lhde= Ec. (4.6)20
Donde:
h= altura
l= longitud
( ) 2/110*10*707.0*808.0=de
mmde 79.6=
El diámetro equivalente que se obtiene es de una cuchilla, como en el
diseño se utiliza 18 herramientas de corte al mismo tiempo entonces:
mmdet 29.12218*79.6 ==
Figura 4.5. Dimensiones de la cuchilla.
Por tanto la velocidad de corte que se necesita para picar el hielo es:
==min
7.5491750*12.0*m
Vc π
Se utiliza la ecuación 4.4 para obtener la potencia.
20 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 7; 3a edición, ecuación 7-16 ; pág. 313.
55
=
=seg
Nm
seg
mNPc 2.5506
60
min1*
min7.549*][2,601
La potencia trasformada en hp es:
Pc = 7.4hp
La potencia nominal (Pn), se obtiene dividiendo para el valor del
coeficiente de rendimiento (ŋ) según la calidad de la máquina. Para el valor de ŋ
ver tabla ANEXO 4.
ηPc
Pn = Ec. (4.7)21
][2.890.0
4.7hp
hpPn ==
En el mercado no existen motores de 8 hp por lo que se utiliza un motor
eléctrico trifásico de 10hp de potencia para llevar a cabo el trabajo con un
funcionamiento óptimo.
4.3 DETERMINACIÓN DEL TORQUE
WTPn *= Ec. (4.8)
Pn=potencia nominal [W]
T= torque [Nm]
ω = velocidad angular [rad/s]
==s
rad
srev
radrev183
60
min1*
1
2*
min1750
πω
Utilizando la ecuación 4.8 el torque es igual a:
[ ]NmW
PnT 8.40
183
7460===
21 VELASTEGUI TITO;Folleto de Tecnología Mecánica, Tomo 1,Capitulo 9, pág. 108.
56
4.3 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE LA MÁQUINA.
La picadora de hielo está conformada por, un eje motriz, cilindro, cuchillas,
estructura de alimentación de los bloques de hielo, estructura soporte, motor
eléctrico.
4.3.1 DISEÑO DEL CILINDRO.
Para encontrar el diámetro del cilindro se debe tomar en cuenta el diseño
estático, y el diseño dinámico.
4.3.1.1 Diseño Estático.
Para el diseño estático se utiliza la teoría de energía de distorsión.
En la figura 4.6 se muestra las fuerzas al que está sometido el cilindro.
57
Figura 4.6. Fuerzas que actúan en el cilindro.
( )44 int32/
2/**
ddext
dextT
J
rT
−==
πτ Ec. (4.9)22
Donde:
τ = Esfuerzo cortante
T= torque
Ra= reacciones en el punto A.
Rb= reacciones en el punto B.
Dext= diámetro exterior del cilindro.
Dint= diámetro interior del cilindro.
+
−±
+= 2
2
; 22 xyyxyx
BA τσσσσ
σ Ec. (4.10)23
22 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 2; 3a edición, ecuación 2-47; pág. 73. 23 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 2; 3a edición, ecuación 2-9; pág. 34.
58
Donde:
σ = esfuerzo normal
Se aplica las ecuaciones 4.10 y 4.9 se obtiene los esfuerzos normales.
xσ y yσ =0 el cilindro está sometido a torsión.
2; xyBA τσ ±=
xyBA τσ ±=,
3
1
στσστσ=−=
==
xyB
xyA
Donde:
21 σσ y = Esfuerzos principales.
De acuerdo a la energía de distorsión tenemos la figura 4.7
Figura 4.7. Figura del análisis aplicando la teoría de la Energía de Distorsión.
59
La ecuación de la recta es:
AB SS *1
3
σσ−
= Ec. (4.11)
La ecuación de la curva es: 222
BBAAy SSSSS +−= Ec. (4.12)24
Donde:
SB Y SA= son resistencia.
Sy= resistencia a la fluencia del material. [N/mm2]
Se reemplaza en la ecuación 4.11 en la ecuación 4.12.
( ) 222 * AAAAy SSSSS +−−=
Ay SS *3=
Se conoce que:
A
ASn
σ= Ec. (4.13)25
Donde:
n= Factor de seguridad estático.
Se aplica la ecuación 4.13
xy
YS
nτ
3= ,
24 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 6; 3a edición, ecuación 6-11; pág. 249. 25 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 6; 3a edición, ecuación 6-1; pág. 241.
60
( ) 332/
2/*
4int
4
y
ext
extS
dd
Tdn =
−π
Un valor aproximado del dext del cilindro porta cuchillas se puede obtener
del siguiente análisis. Las medidas del bloque de hielo son 160x370x1000mm; el
cilindro porta cuchillas debe cubrir los 160mm de altura.
Como se puede ver en figura 4.8 la longitud de arco que contiene al bloque
de hielo debe ser 160mm.
Entonces;
rs *θ= , donde,
s= longitud de arco.
r = radio del cilindro.
θ = Angulo en radianes.
θ : 2/π=r
2
160πθ
mmsr ==
mmr 102=
61
Figura 4.8 . Longitud de arco que contiene al bloque de hielo.
Se realiza un proceso iterativo, se tiene como dato aproximado el diámetro
exterior; con lo cual se procede a calcular el factor de seguridad estático. En la
tabla 4.3 se presenta los diferentes valores del factor de seguridad n. En el
ANEXO 5 se encuentra los valores de Sy.
( ) ( )( ) 3*2/
*32/* 44
ext
ntiexty
dT
ddSn
−=
π
Tabla 4.3 Valores del factor de seguridad n.
Diámetro exterior (mm)
Espesor (mm)
Diámetro interior (mm)
Factor de seguridad
(n)
114.3 6.02 108.28 242.1
141.3 6.55 134.75 406.4
168.3 7.11 161.19 629.7
219.1 8.18 210.92 1236.9 Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA - CHUNGANDO
62
Este factor de seguridad es alto por lo que justifica que no falle
estáticamente ni dinámicamente. Debido a que el diámetro del cilindro debe cubrir
por lo menos el alto del bloque del hielo, se elige el cilindro de diámetro exterior
de 219.1mm con espesor de 8.18mm.
4.3.2 DISEÑO DE LA CUCHILLA.
En la figura 4.8 se observa la fuerza a la que está sometida la cuchilla.
Figura 4.9. Fuerzas que actúan en la cuchilla.
Para un acero para herramientas, cuyas propiedades mecánicas son:
Sut = 115 Kpsi
Sy = 78 Kpsi
Se realiza el diseño con estos datos.
4.3.2.1 Diseño Estático:
Se aplica la Ecuación 4.12 y 4.13 para obtener el factor de diseño estático.
Fc = 601.2[N]
A = 100 [mm2]
=== − 246012000
10*1
2.601
m
N
A
Fcσ
896012000
537420000==n
63
El factor de seguridad estático es alto por lo que justifica que no falle
dinámicamente.
4.3.3 DISEÑO DEL EJE
El eje se diseña estáticamente y dinámicamente, se conoce como datos la
potencia nominal, torque y la velocidad angular.
TORQUE - PAR MOTOR
Pn = T x W
W
PnT =
Donde:
Pn= Potencia nominal
s
NmHpPn 746010 ==
s
radrpmW 1831750 ==
NcmNmT 5.40768.40 ==
4.3.3.1 Diseño del Eje (Estático)
Para el diseño del eje se considera que se encuentra acoplado a un motor
eléctrico, el mismo que transmite la potencia necesaria al cilindro porta cuchillas
apoyado sobre dos rodamientos los mismos que absorben la fuerza radial. Para el
diseño del eje motriz se aplica la ecuación 4.14.
64
Diseño del eje motriz
Figura 4.10. Diagrama de cuerpo libre del eje.
cm
NQ
FcWcQ
8.1063=
+= Ec. (4.14)
Wc = 462.56 (N)
Donde:
Q = Carga uniforme distribuida
Fc = Fuerza de corte 601.2 (N)
L= Longitud del eje (cm)
Wc = Peso del cilindro porta cuchillas.
Determinación de cargas sobre el eje
Se aplica las ecuaciones de equilibrio en las figuras (4.11) y (4.12) y halla
las incógnitas.
65
Figura 4.11. Fuerzas que actúan en el eje en el plano Y – X
Figura 4.12. Fuerzas que actúan en el eje en el plano Z – X
Se realiza la sumatoria de fuerzas en los planos Y-X y el plano Z-X, para
obtener las reacciones en cada uno de los apoyos.
Donde:
RBy= reacción en el punto B.
RAy= reacción en el punto A.
RBz= reacción en el punto B.
RAz= reacción en el punto A.
66
Para el plano Y – X
RByRAyQ
Fy
+==∑ 0
Por se carga uniforme.
2
QRByRAy ==
[ ]NRByRAy 5322
8.1063 ===
El Momento Máximo es:
4
*
2*
22*
QLLQLRByMmáx ===
=cm
NMmáx 5.114358
Para el plano Z – X
RBzRAz
Fz
==∑ 0
0
0
0415*
0
==
=−=∑
z
z
z
A
RA
RB
RB
M
67
Diagrama de fuerza cortante y momento flector en el plano X –Y
Figura 4.13. Diagrama de esfuerzo cortante y momento flector del eje en el plano Y – Z
Momento Torsor
El momento torsor se encuentra ubicado en el plano Y – Z según el eje de
referencia que se asume y es igual a:
T = 4076.5 N/cm
Material base del eje
En muchos casos se necesita determinar la resistencia de piezas
correspondiente a estados de esfuerzo diferentes. En muchos casos los esfuerzos
68
fluctúan sin pasar por cero. En la figura 4.14 muestra la relación esfuerzo –
tiempo que se puede presentar.
Figura 4.14. Relación esfuerzo – tiempo. Esfuerzos Medios y Alternantes26.
Se tiene como punto de partida para el diseño del eje, el cálculo del
diámetro mínimo del mismo. Para luego aplicar el diseño por fatiga.
El material que se ha seleccionado para los ejes es un acero de
transmisión SAE 1018, el mismo que tiene aplicaciones en tuercas, pernos,
piezas de máquinas pequeñas, eje para motores y transmisión de potencia, etc.,
además por sus propiedades mecánicas y bajo costo es el más adecuado.
Las propiedades mecánicas del acero SAE 1018 son las siguientes:
Sut. = 59780 N/cm2
Sy. = 30380 N/cm2
3/12/122min ])(
*
32[ TM
Sy
nd +=
π Ec. (4.15)27
26 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 7; 3a edición, Figura 7-22; pág. 330.
69
Donde:
n: Factor de seguridad = 2
M: Momento flector = 114358.5 N/cm2
T : Momento torsor = 4076.5 N/cm2
Sy: Resistência de fluência = 30380 N/cm2
El momento flector (M) se elige de la figura 4.13 correspondiente al valor
máximo del eje; al sustituir los valores en la ecuación 4.15 se obtiene:
d = 42.5mm
4.3.3.2 Diseño del eje (Fatiga)
Considerando la ecuación de fatiga de materiales se tiene:
Se = Se’* Ka * Kb * Kc * Kd * Ke Ec.(4.16)28
Para aceros:
Se’ = 0.5 Sut = 29890 N/cm2 Ec.(4.17)29
Los factores correspondientes a corrección por fatiga son:
Ka = factor de superficie = 0.9
Kb = factor de tamaño = 1.0
Kc = factor de confiabilidad = 1
Kd = factor de temperatura = 1
Ke = factor de concentración de esfuerzos = 1/Kf
Kf = 1 + q * (Kt - 1) Ec.(4.18)
q = sensibilidad a las ranuras = 0.5
Kt = factor teórico de concentración de esfuerzos = 1.6
27 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 15; 3a edición, ecuación 15-1(d); pág. 249. 28 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 7; 3a edición, ecuación 7-15; pág. 307. 29 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 6; 3a edición, ecuación 7-1; pág. 294.
70
Al resolver la ecuación 4.18 se tiene:
Kf = 1.3
Ke = 0.8
Resuelta la ecuación 4.16 se tiene:
Se = 21520.8 N/cm2
El eje está sometido a flexión y torsión, en consecuencia se tiene:
23
23
1
/62.6*
2cos*32
/15183*
2*32
º3.89)*
*(tan2
cmNd
T
cmNd
senMSeT
SutM
m
a
==
==
== −
πασ
πασ
α
Se aplica la ecuación de Goodman modificada se tiene
44.1
1
=
=+
nnSutSe
ma σσ Ec.(4.19)
El valor obtenido del factor de seguridad garantiza que el eje de
transmisión no falle por fatiga.
4.3.4 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS
En ésta sección se estudia y selecciona los rodamientos que intervienen en
la máquina. Se calcula la reacción radial mayor sobre los apoyos mediante la
siguiente relación:
22 RBRARr += Ec.(4.20)
Donde:
RA y RB son fuerzas que van actuar en el rodamiento.
71
Entonces se tiene:
RA = 532 (N)
RB = 532 (N)
Son cargas de igual magnitud (carga radial pura), por lo que se puede
diseñar indistintamente un solo tipo de rodamiento para cualquier apoyo. Para
esto se calcula la capacidad de carga dinámica mediante la relación:
P
P
C
nL )(
60
100000010 = Ec.(4.21)30
Donde:
L10 = Duración nominal en horas de servicio = 20000 (industrial)
C = Capacidad de carga dinámica
P = Carga dinámica equivalente sobre el rodamiento
p = Exponente de la fórmula de duración = 3 (rodamiento de bolas)
n = Velocidad de rotación = 2000 rpm
Entonces el valor de seguridad de carga está dado por:
C/P = 13
Puesto que el rodamiento está sometido a carga radial pura P = RA = 532 (N)
Entonces:
)(691613 NPC =≥
Para un diámetro mayor a 42 mm se elige el rodamiento con la designación
61909 SKF.
30 Manual de la Skf, Internet, www.rodamientosvera.com/CatálogoS KF/tabid/1557/ctl/Login/Default.aspx - 19k -
72
4.3.5 DISEÑO DE LA LENGÛETA
El diseño se basa en una resistencia de fluencia, con un factor de
seguridad de 3, considerando un diámetro de 0.023m del eje de acople al motor,
se escoge una chaveta rectangular de 1/4 x 3/16 de pulg. (ver Tabla ANEXO 6),
usando como material acero SAE 1018 cuyas características se aprecian en el
ANEXO 7.
Sy = 276.2MPa
El torque total de la máquina, T = 40.80Nm es igual al momento de
rotación T.
Figura 4.15. Fuerzas que actúan sobre la lengueta.
En la figura 4.14, la fuerza tangencial F en la superficie del eje es:
r
TF = Ec.(4.22)
73
8.35470115.0
8.40 ==F
Según las ecuación 4.22, la resistencia al cortante es:
Ssy =0.577*Sy Ec.(4.23)31
Ssy = 0.577* 276.2
Ssy = 159.4 MPa
La falla por corte a través del área ab originará un esfuerzo τ = F/(w*l).
Se sustituye τ por la resistencia dividida entre el factor de seguridad,
resulta:
lw
F
n
Ssy
*= Ec. (4.24)32
Al despejar la longitud de la chaveta, se tiene:
00635.0*4.1593*8.3547* ==
Ssy
nFl
l =0.01m.
Por otro lado, la resistencia al aplastamiento se determina con un área
igual a la mitad de la cara de la cuña.
hSy
nFl
*5.0*
*= Ec.(4.25)
31 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 7; 3a edición, ecuación (b); pág. 352. 32 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 7; 3a edición, ecuación ; pág. 425.
74
Se utiliza la ecuación 4.25 y se obtiene la longitud de la lengûeta.
ml 015.00047625.0*5.0*2.276
3*8.3547 ==
Si la lengueta tuviera una longitud mayor, tendría por consiguiente amplia
resistencia. En consecuencia, para el presente caso se utiliza una lengûeta de
longitud normalizada de 36mm.
4.3.6 DISEÑO DE LAS JUNTAS SOLDADAS.
El análisis para el diseño de las soldaduras se realiza en base al diseño
estático y dinámico de las juntas soldadas entre el eje motriz y el cilindro porta
cuchillas.
4.3.6.1 Diseño estático de las juntas soldadas entre el eje motriz y el cilindro porta
cuchillas.
Para el diseño estático de las juntas soldadas se consideran las cargas
que soporta el eje motriz, y los momentos que se producen. En la figura 4.15 se
muestra las direcciones de las fuerzas, cuyos valores son:
RAY = 2636[N]
RBY = 2636[N]
T = 37.57 [Nm]
75
Figura 4.16. Cargas que actúan sobre la soldadura.
Se debe calcular el esfuerzo cortante primario debido a las RAY, RBY y T.
Como se indica en la figura 4.15, las placas esta unido al eje motriz por medio de
dos juntas a filete de 0.006m asumidas para el cálculo. A partir del caso 6 de la
tabla ANEXO 8 se determina el área de garganta.
rhA ***414.1 π= Ec.(4.26)33
Donde:
=h Altura de la sección soldada.
=r Radio
[ ]2410*59.5021.0*006.0**414.1 mA −== π
Se aplica de nuevo el caso 6 de la tabla ANEXO 8, se obtiene el segundo
momento polar de área unitario Ju.
33 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 9; 3a edición, tabla 9-1; pág. 449.
76
Ju= 2*π*r3 Ec.(4.27)
Ju=2*π*(0.021)3 = 5.81*10-5[m]3
Para obtener los valores correspondientes del segundo momento polar de
área del grupo de juntas J:
J=0.707*h*Ju Ec.(4.28)
J=0.707*0.006*5.81*10-5= 2.47*10-7[m]4
Al aplicar la ecuación 4.28 se determina el esfuerzo de corte primario total
para el metal soldante:
J
rM
A
RAY *1 +=τ Ec.(4.29)
[ ]MPa1.810*47.2
021.0*8.40
10*59.5
2636741 =+= −−τ
El esfuerzo total es [ ]MPa1.8=τ
Las propiedades mecánicas de las placas de acople corresponden a un
acero ASTM A36.
Sy =248MPa
Sut = 400MPa
Se puede utilizar las mismas propiedades mecánicas para el metal
soldante.
Se utiliza la ecuación 4.30 para obtener el factor de seguridad estático.
τSy
n*577.0= Ec.(4.30)
4.171.8
248*577.0 ==n
77
4.3.6.2 Diseño Dinámico de las Juntas soldadas entre Eje Motriz y el cilindro porta
cuchillas.
Se emplea la ecuación 4.18, se halla el límite de fatiga por viga rotatoria.
Se’=0.5*Sut
Se’=0.5*400 = 200[MPa]
En las uniones soldadas se utiliza una superficie basta, para encontrar el
factor de superficie que modifica la resistencia se aplica la ecuación 4.31. Donde
a = 272MPa y b = -0,995.
Ka = a*Sutb Ec.(4.31)
Ka = 272/(400)-0.995=0.702.
Para evaluar el factor de tamaño se emplea la ecuación 4.6 para obtener el
diámetro equivalente.
( ) 2/1**707.0*808.0 lhde=
( ) [ ]mde 003.0021.0*2*006.0*707.0*808.0 2/1 == π
Con la ecuación 4.32 se halla el factor de tamaño 097.0*869.0 −= dkb Ec.(4.32)34
1003.0*869.0 097.0 == −kb
34 SHIGLEY J, Manual de Diseño Mecánico; Tomo 2; Capítulo 7; 3a edición, ecuación 7-16; pág. 3.
78
Para el 50% de confiabilidad de la tabla ANEXO 9 se tiene que Kc=1
Para el factor de temperatura Kd=1.
El factor de esfuerzos diversos, se determina considerando el factor kf que
vale 2.7 para el caso de filetes paralelos (ver tabla ANEXO 10).
fe K
k1=
37.07.2
1 ==ek
Según la ecuación 4.16 el límite a fatiga es:
Sse=200*0.702*1*1*1*0.37=52[MPa]
Los esfuerzos de corte en la junta son:
2
τττ == ma
[ ]MPaa 95.32
9.7 ==τ
Al resolver la ecuación 4.33 se tiene:
Ssu = 0.67*Sut Ec.(4.33)
Ssu= 0.67*400= 268 [MPa]
Para el esfuerzo cortante, la línea de Goodman según la ecuación 4.34 es:
semsua
suse
su
m
se
a SS
SS
SS
n**
*1
ττττ +=
+= Ec.(4.34)
El factor de seguridad a fatiga del metal soldante es:
79
11)52268(*95.3
268*52 =+
=n
El factor de seguridad obtenido garantiza una estabilidad en los elementos
soldados.
4.3.7 SELECCIÓN DE PERNOS PARA EL ACOPLE EJE MOTRIZ Y MOTOR.
Los pernos que se va ha seleccionar están sometidos a corte.
En la figura 4.16 se muestra las fuerzas a las que están sometidos los
pernos.
Figura 4.17. Fuerzas que soportan los pernos.
4.3.7.1 Diseño a Corte.
Para obtener el número de pernos que se necesita para el acople del eje
motriz y motor se utiliza la tabla del ANEXO 11. El número de tornillos son 4,
M16.
La fuerza que soporta cada perno es de 1273.9 (N), este resultado se
obtiene de la siguiente relación.
T= 4076.5(N/cm)
F= 4076.5/0.8= 5095.63 (N)
80
Esta es la Fuerza total, como se considera que se utiliza cuatro pernos la
fuerza de cada uno es 1273.9 (N)
El esfuerzo por corte es (ecuación 4.35):
A
Fτ
perno=
Ec. (4.35)
2232
pernoperno 636950000080.0
63.5095
)1016(
)9.1273(4
d
4F
A
Fτ
m
N
mx
N ===== −ππ
La resistencia de fluencia al corte:
KpsiKpsiSySsy 7.57)100(577.0577.0 ===
El factor de seguridad es:
626.4MPa
398MPa
τ
Ssyη ===
El factor de seguridad satisface los requerimientos de diseño, por lo cual
se escoge la cantidad de 4 pernos M16 para una brida de 150 mm de diámetro.
4.3.8 CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA SOPORTE
Para el cálculo de la estructura soporte se utilizo el software SAP2000, con la
ayuda de este programa se verifico que:
• El diseño de la estructura soporte las cargas a las que está sometida.
• Los perfiles seleccionados resistan a las cargas que se van aplicar.
4.3.8.1 Geometría de la estructura.
Los perfiles que se utilizan en la estructura son los siguientes:
Soporte motor, cilindro, eje:
81
• Tubo estructural de 40x40x2
• Tubo estructural de 30x30x2
Soporte hielo:
• Tubo estructural de 40x20x2.
Los perfiles asignados se pueden encontrar en cualquier comercializadora de
perfiles de la ciudad de Quito.
En la figura 4.18 se muestra la geometría del soporte de la estructura.
Figura 4.18. Estructura soporte.
4.3.8.2 Cargas que actúan en la estructura soporte:
Cargas muertas.- Son aquellas que se mantienen en constante magnitud y
con una posición fija durante la vida útil de la estructura; generalmente la mayor
parte de las cargas muertas constituye el peso propio de la estructura, y puede
calcularse con buena aproximación a partir de la configuración de diseño, de las
dimensiones de la estructura y de la densidad del material. El peso propio
depende de los perfiles que se utiliza, y se va distribuir en toda la estructura.
Otra carga a la que va estar sometida la estructura es el peso del cilindro,
cuchillas, eje, motor y demás accesorios de la máquina, estos pesos son:
82
• Peso del motor se considera de 50kg.
• Peso del cilindro, eje, y demás accesorios, de 60 kg.
• Peso del bloque de hielo de 50.64 kg.
Se muestra las restricciones a la que va estar sometida la estructura.
En la figura 4.19 se muestra las cargas y las restricciones de la estructura.
Figura 4.19. Cargas aplicadas a la estructura soporte.
Los perfiles utilizados soportan las cargas a las que va estar sometida la
estructura. Los detalles de los resultados del cálculo estructural se pueden
apreciar en el ANEXO 12, además en los ANEXOS 13 y 14 se muestran los tipos
de perfiles y planchas que se puede utilizar para la construcción.
Una vez realizado el diseño del prototipo se elaboran los planos de montaje
y de taller de cada uno de los elementos diseñados.
83
Para la construcción del prototipo es necesario la elaboración de los
respectivos planos de taller que contengan información clara y precisa, para
lograr esto es necesario aplicar las normas para el dibujo mecánico, sin perder de
vista la facilidad de aplicar procesos simples de construcción, selección de
materiales normalizados existentes en el mercado local para la fabricación de
cada uno de los elementos que constituye el prototipo.
La secuencia de los planos de taller está relacionada con el proceso de
montaje del prototipo. Tanto los planos de conjunto como los de taller se
presentan en el ANEXO 17.
84
CAPITULO V
CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y ANALISIS DE COSTO
5.1 GENERALIDADES
La máquina picadora de hielo diseñada es de fácil construcción, por tanto
cualquier taller mecánico industrial donde existan todos los equipos y
herramientas necesarias pueden construir cada uno de los elementos que
conforman el prototipo.
Para la construcción de la máquina picadora de hielo uno de los factores
importantes es la facilidad de adquisición de la materia prima en el mercado local,
para luego obtener los elementos que conforman la picadora de hielo.
5.2 CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA.
En la construcción de la máquina es necesario determinar:
• Requerimientos para la construcción:
• Maquinas y equipos que se va utilizar en la construcción.
• Herramientas.
• Instrumentos de medición y verificación.
• Materia prima
• Elementos seleccionados.
• Elementos a construir.
• Hoja de procesos.
85
5.2.1 REQUERIMIENTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN.
Para la construcción de la máquina picadora de hielo se utilizan equipos,
herramientas, para la conformación de la misma, a continuación se detalla
algunos de los equipos, herramientas, materia prima, elementos seleccionados,
elementos a construir.
1. Máquinas y Equipos:
Cizalla, esmeril, torno, soldadora eléctrica, taladro, equipo de pintura.
2. Herramientas:
Brocas, útiles de tornear, escuadras, limas, martillo, llaves, rayador.
3. Instrumentos de medición y verificación:
Calibrador pie de rey, compas, flexómetro, escuadra, galga.
4. Materia Prima.
Cilindro hueco, material para el eje, placas de acople, varilla cuadrada A36,
tubo estructural.
5. Elementos normalizados y seleccionados.
Motor eléctrico de 10hp, rodamientos, chumaceras, pernos.
6. Listado de elementos a construir.
Eje principal, cuchillas, placas de acople.
86
5.2.2 HOJA DE PROCESOS.
Se realizara cuatro hojas de procesos de los elementos principales que
conforman el prototipo en las que se detallaran cada uno de los procedimientos
que se debe seguir para obtener los diferentes elementos que se va construir.
• Hoja de Procesos del Eje Principal
• Hoja de Procesos del Cilindro Porta cuchillas.
• Hoja de Procesos de Placas de Acople.
• Hoja de Procesos de Cuchillas.
87
HOJA DE PROCESOS – 1* ELEMENTO - 1
EJE PRINCIPAL Tiempo Total: horas
POSICIÓN CANTIDAD DENOMINACIÓN MATERIAL
DIMENCIONES
EN BRUTO OBSERVACIÓN
1 Eje Principal Acero A 36 ∅ 45 x 800 NINGUNA
Nota: Poner a punto todas las operaciones
* Hoja de procesos previa
UTILES TIEMPOS (min) FASE
SUB
FASE Nº OPERACIONES CROQUIS RPM
trabajo control empleado máximo
10
11
12
Refrentar en 7
Centrar en 7
600
200
Cc.
Bc.
Cal. 5
2
6
3
20
21
22
Refrentar en 1
Centrar en 1
600
200
Cc.
Bc.
Cal. 5
2
6
3
TORNO
(1)
30
31
32
33
Montar entre puntos
Cilindrado final en 5
∅ = 43
Cilindrado previo en 6
∅ = 38
800
600
Cc. Cal. 2
28
15
2
30
20
88
Hoja de Procesos-1 (continuación) UTILES TIEMPOS (min)
FASE SUB
FASE Nº OPERACIONES CROQUIS RPM
trabajo control empleado máximo
TORNO
(1) 30
34
35
Cilindrado previo en 4
∅ = 38
Cilindrado previo en 2
∅ = 35
600
Cc. Cal. 15
12
20
15
CÓDIGO DE ÚTILES: LABORATORIO DE MÁQUINAS HERRAMIENTAS
Cal.: Calibrador FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Bc.: Broca
Cc.: Cuchilla para cilindrar
E.P.N.
89
HOJA DE PROCESOS – 2 ELEMENTO - 2
CILINDRO Tiempo Total: horas
POSICIÓN CANTIDAD DENOMINACIÓN MATERIAL
DIMENCIONES
EN BRUTO OBSERVACIÓN
1 Cilindro Acero Inoxidable
∅ ext 55 x 450
∅ int 40 x 450 NINGUNA
Nota: Poner a punto todas las operaciones
UTILES TIEMPOS (min) FASE
SUB
FASE Nº OPERACIONES CROQUIS RPM
trabajo control empleado máximo
SIERRA
MECÁNICA
(1)
10 11 Cortar cilindro
S. Flex. 20 25
RECTIFI-
CADOR (1) 10 11
Rectificar cilindro en
3, profundidad 1 mm
10 15
10
11
12
Refrentar en 1
Centrar en 1
500
200
Cc.
Cal. 7
2
8
3
TORNO (2)
20
21
22
Refrentar en 2
Centrar en 2
500
200
Cc.
Cal. 7
2
8
3
90
Hoja de Procesos-2 (continuación)
UTILES TIEMPOS (min) FASE
SUB
FASE Nº OPERACIONES CROQUIS RPM
trabajo control empleado máximo
TORNO
(2) 30
31
32
33
34
35
Montar entre puntos
Cilindrado previo en 3
∅ = 53.5
Cilindrado final en 3
∅ = 52
Cilindrado previo en 4
∅ = 41
Cilindrado final en 4
∅ = 42
800
600
800
600
Cc. Cal.
2
26
29
28
32
2
30
30
35
35
CÓDIGO DE ÚTILES: LABORATORIO DE MÁQUINAS HERRAMIENTAS
Cal.: Calibrador FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Cc.: Cuchilla para cilindrar
S: Sierra
Flex: Flexómetro
E.P.N.
91
HOJA DE PROCESOS – 3 ELEMENTO - 3
PLACAS Tiempo Total: horas
POSICIÓN CANTIDAD DENOMINACIÓN MATERIAL
DIMENCIONES
EN BRUTO OBSERVACIÓN
2 Placa Sujetadora Acero A 36 450 x 450 x 60 NINGUNA
Nota: Poner a punto todas las operaciones
UTILES TIEMPOS (min) FASE
SUB
FASE Nº OPERACIONES CROQUIS RPM
trabajo control empleado máximo
TRAZADO
(1)
10 11 Trazar el contorno
R. R.M 3 5
OXICORTE
(1)
10 11 Cortar pieza
∅ ext = 425 Flex. 15 20
10
11
12
Refrentar en 3
Centrar en 3
500
200
Cc.
Bc.
Cal. 7
2
8
3
TORNO (3)
20
21
22
Refrentar en 4
Centrar en 4
500
200
Cc
Bc
Cal.
7
2
8
3
92
Hoja de Procesos-3 (continuación) UTILES TIEMPOS (min) FASE SUB
FASE
Nº OPERACIONES CROQUIS RPM
trabajo control empleado Máx.
TORNO
(3)
30
31
32
33
34
35
Montar entre puntos
Cilindrado previo en
1
∅ = 422
Cilindrado final en 1
∅ = 420
Cilindrado previo en
2
∅ = 41
Cilindrado final en 4
∅ = 43
800
600
800
600
Cc.
Cal.
2
20
25
23
28
2
25
30
25
30
CÓDIGO DE ÚTILES: LABORATORIO DE MÁQUINAS HERRAMIENTAS
Cal.: Calibrador FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Bc.: Broca
Cc.: Cuchilla para cilindrar
R: Rayador
RM: Regla metálica
Flex: Flexómetro
E.P.N.
93
HOJA DE PROCESOS - 4 ELEMENTO -4
CUCHILLA TIEMPO TOTAL DE DURACION: horas
POSICION CANTIDAD DENOMINACION MATERIAL DIMENSIONES EN
BRUTO
OBSERVACIÓN
6 160 Cuchilla Acero A36 10x10x6000 NINGUNA
Nota: poner a punto todas las operaciones
UTILES TIEMPO (min) FASE SUB
FASE
Nº OPERACIONES CROQUIS n RPM
trabajo control empleado máximo
Sie
rra
Mec
ánic
a
(1)
10 11 Cortar pieza 6
(50x10x10)
(160 cuchillas)
S. Flex. 60 120
Tra
zado
(2)
10 11 Trazar contorno
R. Cal. 10 15
20 21 Esmerilado en 1.
E. G.
Cal.
20 25
30 31 Esmerilado en 2
E. G.
Cal.
20 25
Esm
eril
(3)
40 41 Esmerilado en 3
E. G.
Cal.
20 25
94
CÓDIGO DE ÚTILES: LABORATORIO DE MÁQUINAS HERRAMIENTAS
Cal.: Calibrador FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
E.: Piedra de esmeril
R: Rayador
RM: Regla metálica
S: Sierra
G.: Galga
E.P.N.
95
5.3 ANÁLISIS ECONÓMICO.
Para el análisis económico es necesario cotizar cada uno de los elementos
que conforman el prototipo.
Es importante aclarar que la cotización es una estimación ya que el precio
de algunos componentes como son los de aceros y elementos varían de un día a
otro; por lo que el costo de la máquina cambia.
5.3.1 ANÁLISIS DE COSTOS DIRECTOS.
En los costos directos se analizan: materiales directos, elementos directos,
costos de maquinado y montaje.
5.3.1.1 Materiales Directos
Los costos de materiales directos se presentan en la tabla 5.1.
Tabla 5.1. Costos de materiales directos.
MATERIAL CANTIDAD VALOR
UNITARIO
(USD)
VALOR (USD)
Eje cilíndrico de acero
SAE 1018
Ø 45mm, l=1200mm
1 27.50 27.50
Cilindro acero A36
Ø 220mm, e = 4,5mm,
l= 400mm
1 15.50 15.50
Chapas acero A36
Ø 130mm,e=24.5mm
4 6 24
96
Tabla 5.1 (continuación)
MATERIAL CANTIDAD VALOR
UNITARIO
(USD)
VALOR (USD)
Tubo cuadrado
estructural 40x2mm, 4m
1 22.50 (6m) 15
Tubo cuadrado
estructural 30x2mm, 3m
1 17 (6m) 8.5
Tubo estructural 40x
20x1.5mm, 3m
1 14.20 (6m) 7.1
Varilla acero A36
10x10x6000mm
1 12 12
Plancha Acero Inoxidable
mate 1220x2440x1mm
1 60 60
Subtotal 169.6
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA - CHUNGANDO
5.3.1.2 Elementos Directos.
Los costos de los elementos directos se presentan en la tabla 5.2.
Tabla 5.2 Costos de elementos directos.
ELEMENTO CANTIDAD VALR UNITARIO
(USD)
VALOR TOTAL
(USD)
Chumaceras 2 45 90
Motor eléctrico
Trifásico
1750RPM, 10HP
1 450 450
Perno 3/8” 4 0.20 0.8
Perno ½” 4 0.25 1.0
97
Tabla 5.2 (continuación)
ELEMENTO CANTIDAD VALR UNITARIO
(USD)
VALOR TOTAL
(USD)
Perno ¾” 4 0.40 1.60
Tuerca 3/8” 4 0.20 0.8
Tuerca ½” 4 0.25 1.0
Tuerca ¾” 4 0.40 1.60
Perno 5/16”
Zincados
2 0.20 0.40
Bisagras 2 0.50 1.00
Subtotal 548.2
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA - CHUNGANDO
5.3.1.3 Costos de Maquinado
Otro aspecto que se debe considerar para obtener el costo de la máquina
es la mano de obra para la construcción, ya que el salario del trabajador se
considera en el análisis económico. El valor de los costos se presenta en la tabla
5.3.
En la figura 5.1 se muestra la máquina en proceso de construcción.
Figura 5.1. Verificación de medidas.
98
Tabla 5.3. Costos de mano de obra en máquinas-herramientas.
MÁQUINA COSTO POR MÁQUINA
INCLUIDO MANO DE
OBRA (USD/h)
TIEMPO
TOTAL
(h)
COSTO TOTAL
POR MÁQUINA
(USD)
Afiladora de
cuchillas
4 3 12
Torno 10 4 40
Soldadora 8 4 32
Taladro de
pedestal
5 2 10
Dobladora 10 1 10
Cizalla 5 4 20
Subtotal 124.00
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA - CHUNGANDO
5.3.1.4 Costos de Montaje
Para obtener el costo de montaje se considera la mano de obra necesaria
para el armado y ensamblado de cada uno de los subconjuntos y la totalidad de la
máquina.
Se considera el trabajo de 2 personas durante 2 días a un costo de 12USD
diarios/trabajador, resultando u costo total de 48USD.
5.3.1.5 Costo Directo Total.
En la tabla 5.4 se indica la cantidad total del costo directo.
99
Tabla 5.4 Costo directo total.
COSTOS VALOR (USD)
Materiales directos 169.6
Elementos directos 548.2
Costo de maquinado 124
Costo de montaje 48
Subtotal 889.8
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA - CHUNGANDO
5.3.2 ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS.
Se analizan: materiales indirectos, costo de ingeniería, y gastos indirectos.
5.3.2.1 Materiales Indirectos.
Los costos de materiales indirectos se presentan en la tabla 5.5.
Tabla 5.5 Costos de materiales indirectos.
MATERIAL CANTIDAD VALOR
UNITARIO (USD)
VALOR TOTAL
(USD)
Electrodo 6011 de
4.8mm
5 kg 25/5kg 25
Cuchilla torno HSS 1 8 8
Broca de centros
3.15mm
1 3 3
Lija para hierro 2 0.40 0.80
Pintura anticorrosiva 2.5 L 3.50 8.75
Pintura esmalte 1.5L 4.10 6.15
Thiñer 4 L 1.30 5.2
Guaype 10 0.10 1.0
100
Tabla 5.5 (continuación)
Subtotal 57.90
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA - CHUNGANDO
5.3.2.2 Costo de Ingeniería.
Este costo se refiere al tiempo empleado en el diseño de cada uno de los
elementos constitutivos de la máquina.
Para el costo de ingeniería se considera el sueldo de un ayudante de
laboratorio de la EPN de 330 USD durante 4 meses, el costo total de ingeniería
es de 1320 USD.
5.3.2.3 Gastos Indirectos.
Los gastos indirectos es referente a costos de movilización de las personas
y transporte de materiales para la construcción, montaje de la máquina, y
pruebas realizadas. Se estima un valor de 50 USD.
5.3.2.4 Costo Indirecto Total.
En la tabla 4.7 se indica la cantidad total del costo indirecto.
Tabla 5.6 Costo indirecto total.
COSTO VALOR(USD)
Materiales indirectos 57.9
Costo de ingeniería 1320
Gastos indirectos 50
subtotal 1427.9
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA – CHUNGANDO
101
5.3.3 COSTO TOTAL DE LA MÁQUINA.
Tabla 5.7 Costo total de la máquina picadora de hielo.
COSTO VALOR (USD)
Costo directo 889.8
Costo indirecto 1427.9
TOTAL 2317.7
Fuente: PROPIA
Elaborado Por: CHICAIZA – CHUNGANDO
Todos los costos de construcción de la máquina picadora de hielo incluyen
IVA, y se obtuvieron a partir de proformas facilitadas por distribuidoras y
comercializadoras de la ciudad de Quito, entre estas: Talleres STIC, Ferretería la
Mariscal, Ivan Bhoman, Ferro Centro. El costo total obtenido resulta bastante
accesible y puede ser construido fácilmente.
102
CAPITULO VI
PRUEBAS DE CAMPO
6.1 DATOS OBTENIDOS
Considerando el protocolo de prueba descrito en el capítulo (3) se procede
a realizar las pruebas de campo. En la tabla 6.1 se muestran los resultados
obtenidos del protocolo de pruebas.
Tabla 6.1 Protocolo de Pruebas
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
PRUEBAS DE CAMPO
FECHA DE PRUEBA: 30 de Julio del 20008
FECHA DE APROBACIÓN: 6 de Agosto del 20008
NOMBRE DE LA EMPRESA: ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
NOMBRE DE LA MAQUINA: PICADORA DE HIELO
CAPACIDAD DE LA MAQUINA: 6000Kg/h
PERSONAL RESPONSABLE: Ing. Jaime Vargas
Sandra Chicaiza
Javier Chungandro
DIMENSIONES DE LA MAQUINA
VERIFICACION DE DIMENSIONES DE LOS ELEMENTOS QUE CO NFORMAN LA
MAQUINA ELEMENTOS PASA NO PASA
Eje Principal X
Cilindro Porta Cuchillas X
Cuchillas X
Plano Inclinado X
103
Tabla 6.1 (continuación)
Estructura Soporte X
VERIFICACION DE DIMENSIONES TOTALES DE LA MAQUINA
PARAMETROS DIMENSIONES NO PASA PASA
Largo 1325mm X
Ancho 1270mm X
Altura 1150mm X
FUNCIONAMIENTO EN VACIO
SISTEMAS TIEMPO DE PRUEBA FALLA NO FALLA
Eléctrico X
Transmisión X
Estructura
60 min
X
VERIFICACION DE LA PRODUCCION DE HIELO PICADO
PARÁMETROS ACEPTABLE NO ACEPTABLE
Avance X
Calidad X
Tamaño X
CONCLUSIONES:
• Al evaluar al prototipo de la picadora de hielo al protocolo de pruebas,
se concluye que la geometría de cada uno de los elementos y
componentes cumplen con los parámetros y especificaciones con las
que se realizó el diseño.
• El motor con el que se realizó el protocolo de pruebas cumple con los
parámetros funcionales de la máquina.
• El tamaño de hielo picado obtenido satisface los requerimientos que los
pescadores artesanales señalaron en la encuesta realizada.
104
Tabla 6.1 (continuación)
OBSERVACIONES: Ninguna
El prototipo Pasa: SI PASA El prototipo no Pasa:
FIRMA DE PERSONA(S)
RESPONSABLES
FIRMA DE AUTORIZACIÓN
6.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS
Las dimensiones principales del prototipo presentan desviaciones propias
de la construcción como pueden ser defectos de corte, soldadura, entre otros;
pero que no representan desviaciones considerables con el diseño por lo que se
las puede catalogar de aceptables.
El funcionamiento tanto en vacío como a plena carga de los sistemas
eléctrico, mecánico y estructural no presenta anomalías, teniendo en cuenta que
el funcionamiento en vacío se hizo en una hora y a plena carga en 3 minutos.
El prototipo cumple con todas las especificaciones que solicitan los
pescadores artesanales. Las fotografías de las pruebas de campo se presentan
en el ANEXO 16.
105
CAPITULO VII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES
• El ensayo de compresión de las tres probetas de hielo presenta similares
valores de esfuerzo de compresión por la insignificante variación en sus
medidas y al tamaño relativamente grande del área de compresión del
émbolo.
• El Proyecto de Titulación cumple con el objetivo establecido en el presente
Proyecto de Titulación, el cual es la construcción de la máquina Picadora
de Hielo con los parámetros funcionales establecidos.
• La máquina Picadora de hielo se puede construir en cualquier taller
metalmecánico, su construcción y montaje es sencillo y fácil.
• El tamaño de hielo obtenido beneficia a los pescadores ya que cubre en
mayor proporción el cuerpo del pescado aumentando el tiempo de
conservación del mismo.
• El diseño realizado garantiza que el bloque de hielo resbale por el plano
inclinado sin necesidad de ninguna fuerza externa.
• La máquina puede ser instalada con facilidad en cualquier sitio que se
requiera.
• La máquina físicamente proporciona la facilidad para que sea operada por
una sola persona.
106
• Los planos de la máquina se encuentran bajo normas de Dibujo Mecánico
por lo que facilitan su construcción y montaje.
• La recolección del hielo picado se puede realizar por medio de bandejas
facilitando la transportación.
• El hielo obtenido (más fino) para pasar al estado líquido requiere de mayor
tiempo en comparación al hielo picado del diseño.
• Para controlar las vibraciones excesivas de la máquina prototipo es
necesaria una óptima calibración entre el eje del motor y el de transmisión
con las manzanas de acople perfectamente alineadas.
107
7.2 RECOMENDACIONES
• Difundir este tipo de proyecto en el medio artesanal de la pesca.
• Los bloques de hielo que se fabrican en las empresas tienen dimensiones
que varían de 10mm a 30 mm en el ancho, por lo que se recomienda
construir la máquina tomando en cuenta estas variaciones en las
dimensiones.
• Revisar periódicamente que los sellos de los rodamientos se encuentren en
buen estado e impidan el ingreso de agua a su interior para una buena
lubricación debido a que soportará elevadas revoluciones (2000).
• La tapa del cilindro portacuchillas debe estar cerrada siempre, pudiendo
únicamente ser abierta para mantenimiento.
• Revisar que las conexiones eléctricas se encuentren perfectamente
aisladas antes de proceder a encender la máquina.
108
CAPITULO VIII
BIBLIOGRAFÍA
• AISC, Manual os Steel Construcción LRDF, 2da edición, USA, 1994
• ALLEN HALL, Teoría y Problemas de Diseño de Máquinas, Colección Shaum,
1980.
• ARELLANO ROBERTO, Diseño de Estructuras de Acero, Ed. EPN, 1998
• INEN, Código de Dibujo Técnico Mecánico, Quito – Ecuador, 1987
• JUVINALL ROBER, Fundamentos de Diseño para Ingeniería Mecánica, Ed.
Limusa, 1ra. Edición, México, 1991
• MARKS, Manual del Ingeniero Mecánico, Ed. McGraw-Hill, 2da edición,
México, 1984
• McCORMAC JACK, Diseño de Estructuras de Acero Método LRDF, Ed.
AlfaOmega, México 2002
• MIROLIUBOV I., Problemas de Resistencia de Materiales, Ed. Bandeirantes,
Sao Paulo, 1985.
• NORTON ROBERT, Diseño de Máquinas, Editorial McGraw-Hill, México,
1999.
• SHIGLEY JOSEPH, Diseño en Ingeniería Mecánica, Cuarta Edición, Editorial
McGraw Hill, México, 1985
• SINGER & PYTEL, Resistencia de materiales, 4ta edición, Editorial OXFORD,
México, 1987
• STIOPIN, Resistencia de Materiales, Ed. Mir, 3ra edición, 1985
• VARGAS, J; Fundamentos de Dibujo Industrial; E.P.N; Carrera de Ingeniería
Mecánica; Quito – Ecuador; 2005.
• VARGAS, J; Producción por virutaje; E.P.N; Carrera de Ingeniería Mecánica;
Quito – Ecuador; 2003
109
CONSULTAS WEB
• http://www.fitzmill.com/PDFs/spanish_pdf/size_reduct_bro_span1.pdf
• http://www.fao.org/docrer/003/T0713S/T0713S00.HTM.
• http://www.es. wikipedia.org/wiki/hielo.
• http.//www. Guiadelfrio.com.
• dialnet.unirioja.es/servlet/artículos.
• http://www.solociencia.com/medicina/06020801.htm
• http://www.skf.com/portal/skf/home/products?lang=es&maincatalogue=1&n
ewlink=2_11_1
110
ANEXOS
I
INDICE DE ANEXOS
ANEXO 1. TIPO DE CRIBA Y VELOCIDAD DEL ROTOR ......................................II
ANEXO 2. FORMATO DE ENCUESTA .................................................................... IIV
ANEXO 3 . FORMATO PROTOCOLO DE PRUEBAS .............................................VII
ANEXO 4. TABLA DE COEFICIENTES DE RENDIMIENTO ...................................X
ANEXO 5. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS .......................................................XII
ANEXO 6. TABLAS DE CHAVETAS........................................................................XV
ANEXO 7. PROPIEDADES DEL SAE 1018...........................................................XVIII
ANEXO 8. PROPIEDADES A LA TORSIÓN DE SOLDADURA ............................XX
ANEXO 9. FACTORES DE REDUCCIÓN DE RESISTENCIA A LA FATIGA. ..XXII
ANEXO 10. FACTOR KF EN JUNTAS SOLDADAS............................................XXV
ANEXO 11. DIMENSIONES DE BRIDAS ........................................................... XXVII
ANEXO M. RESULTADOS DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL. ........................ XXIX
ANEXO 13. TUBOS ESTRUCTURALES...................................................................... L
ANEXO 14. PLANCHAS INOXIDABLES ................................................................ LIII
ANEXO 15. CARACTERÍSTICAS DE RODAMIENTOS Y CHUMACERA........... LV
ANEXOS 16. FOTOS DE LA MÁQUINA Y PRUEBAS REALIZADAS............. LVIII
II
ANEXO 1. TIPO DE CRIBA Y VELOCIDAD DEL ROTOR
III
TIPO DE CRIBA Y VELOCIDAD DEL ROTOR
Para cada combinación determinada de velocidad de rotor y criba, las partículas
de un cierto rango de tamaño pueden pasar a través de la criba y salir de la
máquina. Velocidades del rotor mayores deprimen el ángulo de ataque de una
partícula relativamente a la superficie de la criba, reduciendo el tamaño aparente
de la perforación de la misma (ver figura A). Un agujero circular, por ejemplo,
aparecerá elíptico, permitiendo entonces que solamente partículas más pequeñas
le atraviesen.
A velocidades menores, el ángulo de ataque incrementa, permitiendo partículas
mayores atravesarlo. A medida que el calibre (espesor) de la criba se incrementa,
el tamaño de la apertura debe también incrementarse para mantener el tamaño
de partícula deseado (ver figura B). Una velocidad del rotor variable y la
intercambiabilidad de cribas hacen que un mismo molino fácilmente produzca una
gran variedad de resultados.
IV
ANEXO 2. FORMATO DE ENCUESTA
V
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Encuesta
La presente encuesta tiene como finalidad ayudar a conservar los productos capturados en la
pesca artesanal, mediante la utilización de hielo picado. Para posteriormente construir una
máquina capaz de picar hielo.
Nombre: __________________________
Cuestionario
1) ¿Utiliza Ud. Hielo para conservar su captura?
SI_____ NO_____
2) Del siguiente listado de tipos de hielo marque aquellas opciones de los que Ud.
utiliza para la conservación de su pescado.
Tipos de Hielo Marque
Hielo en bloques picado
Hielo fundente
Hielo en escamas
Hielo en tubos
Hielo en placas
3) Marque cuál es el tamaño apropiado de hielo picado que se necesita para
obtener un mejor resultado en la conservación del pescado.
Tamaño Marque
Trozos de hielo de 1 a 10mm
Trozos de hielo de 10 a 20mm
VI
Trozos de hielo de 20 a 30mm
4) Marque de acuerdo a su requerimiento cual debe ser la capacidad de una
máquina picadora de hielo.
Capacidad en Kghielo/min. Marque
55
110
220
5) ¿Ud. estaría dispuesto ha adquirir una máquina picadora de hielo?
SI_____ NO_____
Porqué____________________________________________________________
____________________________________________________________
VII
ANEXO 3 . FORMATO PROTOCOLO DE PRUEBAS
VIII
PROTOCOLO DE PRUEBAS
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
PRUEBAS DE CAMPO
FECHA DE PRUEBA:
FECHA DE APROBACIÓN:
NOMBRE DE LA EMPRESA:
NOMBRE DE LA MAQUINA:
CAPACIDAD DE LA MAQUINA:
PERSONAL RESPONSABLE:
DIMENSIONES DE LA MAQUINA
VERIFICACION DE DIMENSIONES DE LOS ELEMENTOS QUE CO NFORMAN LA
MAQUINA ELEMENTOS PASA NO PASA
Eje Principal
Cilindro Porta Cuchillas
Cuchillas
Plano Inclinado
Estructura Soporte
VERIFICACION DE DIMENSIONES TOTALES DE LA MAQUINA
PARAMETROS DIMENSIONES NO PASA PASA
Largo
Ancho
Altura
FUNCIONAMIENTO EN VACIO
SISTEMAS TIEMPO DE PRUEBA FALLA NO FALLA
Eléctrico
Transmisión
Estructura
IX
PROTOCOLO DE PRUEBAS (continuación)
VERIFICACION DE LA PRODUCCION DE HIELO PICADO
PARÁMETROS ACEPTABLE NO ACEPTABLE
Avance
Calidad
Tamaño
CONCLUSIONES:
OBSERVACIONES: Ninguna
El prototipo Pasa: El prototipo no Pasa:
FIRMA DE PERSONA(S)
RESPONSABLES
FIRMA DE AUTORIZACIÓN
X
ANEXO 4. TABLA DE COEFICIENTES DE RENDIMIENTO
XI
VALORES DE COEFICIENTE DE RENDIMIENTO (ŋ) SEGÚN LA CALIDAD DE
LA MÁQUINA
CONDICIONES DE LA MÁQUINA VALOR ŋ
• Máquinas muy antiguas, con
muchos engranajes y correas
• Máquinas de motor individual
con reductor o correa plana
• Máquinas de motor individual,
con correas trapezoidales
• Máquinas con motor acoplado
directamente
0.5 a 0.6
0.7 a 0.75
0.8 a 0.85
0.85 a 0.90
XII
ANEXO 5. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
XIII
XIV
XV
ANEXO 6. TABLAS DE CHAVETAS
XVI
DIMENSIONES CHAVETEROS Y
CHAVETAS S/DIN 6885/1 - 6886 y 6887
STANDARD KEYWAYS S/DIN 6885/1 -
6886 and 6887
Chaveta paralela
S/DIN-6885/1
Chaveta de cuña
S/DIN-6886
Chaveta de cuña con cabeza
S/DIN-6887
Medidas del chavetero en el cubo Chaveta paralela
S/DIN 6885/1
Chaveta de cuña
S/DIN 6886 y 6887
Medidas del chavetero en el eje para chavetas
paralelas y de cuña
Medidas de los ejes en el cubo
de la rueda
Ø eje
d
mm
desde-
hasta
Medidas
chaveta
b x h
mm
d + t2 m/m
Tol. admisible
(en altura)m/m
d + t2 m/m
Tol. admisible
(en altura)m/m
t1 m/m
Tol. admisible
(en altura)m/m
Ø m/m desde-hasta
Tol. H-7 m/m
17-22 6x6 d+2,6 d+2,1 3,5
22-30 8x7 d+3,0 +0,1
d+2,4 +0,1
4,1 10-18
+0,018
0
30-38 10x8 d+3,4 d+2,8 4,7
38-44 12x8 d+3,2 d+2,6 4,9 30-50
+0,025
0
44-50 14x9 d+3,6 d+2,9 5,5
50-58 16x10 d+3,9 d+3,2 6,2 50-80
+0,030
0
58-65 18x11 d+4,3 d+3,5 6,8
65-75 20x12 d+4,7 d+3,9 7,4 80-120
+0,035
0
75-85 22x14 d+5,6 d+4,8 8,5
85-95 25x14 d+5,4 d+4,6 8,7 120-180
+0,040
0
95-110 28x16 d+6,2 d+5,4 9,9
+0,2
110-130 32x18 d+7,1 d+6,1 11,1 180-250
+0,046
0
130-150 36x20 d+7,9 d+6,9 12,3
150-170 40x22 d+8,7 d+7,7 13,5 250-315
+0,052
0
170-200 45x25 d+9,9 d+8,9 15,3
200-230 51x28 d+11,2 d+10,1 17 315-400
+0,057
0
230-260 56x32 d+12,9
+0,2
d+11,8
+0,2
19,3
260-290 63x32 d+12,6 +0,3 d+11,5 +0,3 19,6
+0,3
400-500 +0,063
0
XVII
Zonas de tolerancia en el ancho de los
chaveteros
Tipo de ajuste chavetero eje chavetreo
rueda
A presión (forzado)
forzed P9 P9
Ligero N9 J9
Deslizante H8 D10
La chaveta deberá dimensionarse de manera que pueda
transmitir el mismo momento o par de torsión que el eje
correspondiente. Por ello, la longitud de dicha chaveta deberá
ser, como mínimo, igual a 1,5 veces el diámetro del eje.
Los chaveteros de eje y rueda deberán tener bordes
redondeados (En todos los sentidos) para evitar la formación
de grietas y posteriores roturas.
Tabla 8-20 Dimensiones en pulgadas para algunas aplicaciones de cuñas cuadradas y rectangulares estándar. Fuente. Joseph e. Shigley, “Unthreaded Fasteners”, capítulo 22, en Joseph E. Shigley and Charles R. Mischke (eds.), Standard Handbook of Machine design, 2da. Ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1996.
Diámetro del eje Tamaño de la cuña
Más de Hasta(inclusive) w h Profundidad del cuñero
5/16 7/16
9/16
7/8
11/4
13/8
13/4
21/4
23/4
7/16 9/16
7/8
11/4
13/8
13/4
21/4
23/4
31/4
3/32 1/8 1/8
3/16 3/16 1/4 1/4
5/16 5/16 3/8 3/8 1/2 1/2 5/8 5/8 3/4 3/4
3/32 3/32 1/8 1/8
3/16 3/16 1/4 1/4
5/16 1/4 3/8 3/8 1/2
7/16 5/8 1/2 3/4
3/64 3/64 1/16 1/16 3/32 3/32 1/8 1/8
5/32 1/8
3/16 3/16 1/4
7/32 5/16 1/4 3/8
XVIII
ANEXO 7. PROPIEDADES DEL SAE 1018
XIX
Tabla A-17 PROPIEDADES MECÁNICAS DE ACEROS
Los valores indicados para aceros laminados en caliente (HR, hot-rolled) y estirados en frío (CD, cold-drawn) son valores mínimos estimados que suelen esperarse en el Intervalo de tamaños de ¾ a 11/4 pulg. Un valor mínimo está aproximadamente varias desviaciones estándares por debajo de la media aritmética. Los valores mostrados para aceros con tratamiento térmico son los llamados valores típicos. Un valor típico no es el medio ni el mínimo. Puede obtenerse mediante un control cuidadoso de las especificaciones de compra y el tratamiento térmico, junto con la inspección y ensayo continuos. Las propiedades indicadas en esta tabla provienen de varias fuentes y se cree que son representativas. Sin embargo, hay tantas variables que afectan estas propiedades que su naturaleza aproximada debe reconocerse claramente.
Número
UNS
Número
AISI
Procesamiento
Resistencia de fluencia
kpsi
Resistencia a la tensión
kpsi
Elongación en 2 pulg %
Reducción
en área %
Dureza Brinell
HB
G10100 G10150 G10180 G10350 G10400 G10450 G10500
1010 1015 1018 1112 1035 1040 1045 1050
HR CD HR CD HR CD HR CD HR CD Estirado a 800oF Estirado a 1000oF Estirado a 1200oF
HR CD Estirado a 1000oF
HR CD HR CD
26 44 27 47 32 54 33 60 39 67 81 72 62 42 71 86 45 77 49 84
47 53 50 56 58 64 56 78 72 80 110 103 91 75 85 113 82 91 90 100
28 20 28 18 25 15 25 10 18 12 18 23 27 18 12 23 16 12 15 10
50 40 50 40 50 4 45 35 40 35 51 59 66 40 35 62 40 35 35 30
95 105 101 111 116 126 121 167 143 163 220 201 180 149 170 235 163 179 179 197
XX
ANEXO 8. PROPIEDADES A LA TORSIÓN DE SOLDADURA
XXI
PROPIEDADES A LA TORSION DE SOLDADURAS DE FILETE Soldadura Área de
garganta Localización de G
Momento Polar de inercia unitario
A = 0.707hd A = 1.414hd
A = 0.707h(b+d)
A = 0.707h(2b+d)
A = 1.414h(b+d)
A = 1.414πhr
2/
0
dy
x
=
=−
−
2/
2/
dy
bx
=
=−
−
)(2
2
)(22
2
db
dbdy
db
bx
++=
+=
−
−
2/
2
2
dy
db
bx
=
+=
−
−
2/
2/
dy
bx
=
=−
−
12/3dJu =
6
)3( 22 dbdJu
+=
)(12
6)( 224
db
dbdbJu +
−+=
db
bdbdbJu +
−++=212
68 4323
6
)( 3dbJu
+=
32 rJu π=
XXII
ANEXO 9. FACTORES DE REDUCCIÓN DE RESISTENCIA A LA
FATIGA.
XXIII
• Factor de acabado superficial
Ka = aSutb
• Coeficiente de temperatura
Por lo común las pruebas a la fatiga se hacen a la temperatura ambiente. A bajas
temperaturas la tenacidad a la fatiga se reduce y a temperaturas moderadamente
altas se incrementa. Pero a altas temperaturas desaparece el codo límite de
resistencia a la fatiga (materiales ferrosos) haciendo que la resistencia a la fatiga
siga declinando con el número de ciclos. Para temperaturas cercanas o por
encima del 50% de la temperatura de fusión del material, la termofluencia se hace
significativa, y el procedimiento de diseño de esfuerzo-vida ya no es válido (falla
primero por fluencia que por fatiga).
• Coeficiente de confiabilidad
XXIV
Las medidas son datos estadísticos, por lo tanto hay un error inherente en los
valores nominales dados:
• Coeficiente de temperatura Kd.
XXV
ANEXO 10. FACTOR KF EN JUNTAS SOLDADAS.
XXVI
Tipo de Soldadura Kf
• A tope, con refuerzo
• De filete transversal, en la punta.
• De filetes longitudinales paralelos, en el
extremo.
• A tope en T, con esquinas agudas.
1.2
1.5
2.7
2.0
XXVII
ANEXO 11. DIMENSIONES DE BRIDAS
XXVIII
XXIX
ANEXO M. RESULTADOS DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL.
XXX
PERFILES UTILIZADOS PARA LA ESTRUCTURA SOPORTE
XXXI
REACCIONES EN LOS APOYOS
XXXII
MOMENTOS EN LA ESTRUCTURA
MOMENTO ALREDEDOR DEL EJE 2-2
XXXIII
MOMENTO ALREDEDOR DEL EJE 3-3
XXXIV
DIAGRAMA DE CORTES EN LA ESTRUCTURA
DIAGRAMA ALRDEDOR DEL EJE 2-2
XXXV
DIAGRAMA ALREDEDOR DEL EJE 3-3
XXXVI
TABLA DE DIAGRAMA DE UN PERFIL
XXXVII
GRAFICO DE COMPROBACION DEL DISEÑO VS LA SELECCIÓN DE
PERFILES
XXXVIII
TABLAS DE RESULTADOS DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL.
TABLE: Assembled Joint Masses
Joint U1 U2 U3 R1 R2 R3
Text Kgf-s2/mm Kgf-s2/mm Kgf-s2/mm
Kgf-mm-
s2
Kgf-mm-
s2
Kgf-mm-
s2
1 0.00003041 0.00003041 0.00003041 0 0 0
2 0.0001867 0.0001867 0.0001867 0 0 0
3 0.0001464 0.0001464 0.0001464 0 0 0
4 0.0001898 0.0001898 0.0001898 0 0 0
5 0.0002056 0.0002056 0.0002056 0 0 0
6 0.0002202 0.0002202 0.0002202 0 0 0
7 0.0003459 0.0003459 0.0003459 0 0 0
8 0.0001392 0.0001392 0.0001392 0 0 0
9 0.0002814 0.0002814 0.0002814 0 0 0
10 0.00003041 0.00003041 0.00003041 0 0 0
11 0.00009886 0.00009886 0.00009886 0 0 0
12 0.0001411 0.0001411 0.0001411 0 0 0
13 0.00003041 0.00003041 0.00003041 0 0 0
14 0.0002202 0.0002202 0.0002202 0 0 0
15 0.0001898 0.0001898 0.0001898 0 0 0
16 0.00003041 0.00003041 0.00003041 0 0 0
17 0.00003041 0.00003041 0.00003041 0 0 0
18 0.0001461 0.0001461 0.0001461 0 0 0
19 0.00002241 0.00002241 0.00002241 0 0 0
20 0.0002272 0.0002272 0.0002272 0 0 0
21 0.0001501 0.0001501 0.0001501 0 0 0
22 0.00008373 0.00008373 0.00008373 0 0 0
23 0.0001461 0.0001461 0.0001461 0 0 0
24 0.00009681 0.00009681 0.00009681 0 0 0
25 0.00009681 0.00009681 0.00009681 0 0 0
26 0.0001061 0.0001061 0.0001061 0 0 0
27 0.0001061 0.0001061 0.0001061 0 0 0
XXXIX
Tablas de Resultados del Cálculo Estructural (conti nuación)
TABLE: Assembled Joint Masses
Joint U1 U2 U3 R1 R2 R3
Text Kgf-s2/mm Kgf-s2/mm Kgf-s2/mm
Kgf-mm-
s2
Kgf-mm-
s2
Kgf-mm-
s2
28 0.00002241 0.00002241 0.00002241 0 0 0
29 0.0002272 0.0002272 0.0002272 0 0 0
30 0.00008373 0.00008373 0.00008373 0 0 0
31 0.0001501 0.0001501 0.0001501 0 0 0
32 0.00003041 0.00003041 0.00003041 0 0 0
XL
TABLAS DE LAS FUERZAS QUE SOPORTAN LOS PERFILES DE LA ESTRUCTUR
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
2 0 DSTL2 Combination -0.32 -0.77 -0.039 0.65 -16.41 -83.11 1 0
2 290 DSTL2 Combination -0.32 -0.16 -0.039 0.65 -5.1 51.83 1 290
2 580 DSTL2 Combination -0.32 0.45 -0.039 0.65 6.22 9.33 1 580
4 0 DSTL2 Combination 0.38 -0.58 0.18 26.15 -4.39 -67.31 2 0
4 450 DSTL2 Combination 0.38 0.37 0.18 26.15 -85.9 -21.02 2 450
5 0 DSTL2 Combination -0.61 -0.55 -1.13 137.46 -599.81 -42.42 3 0
5 351.46 DSTL2 Combination -1.39 0.0895 -1.13 137.46 -202.04 39.33 3 351.46
5 702.92 DSTL2 Combination -2.16 0.73 -1.13 137.46 195.72 -105.35 3 702.92
6 0 DSTL2 Combination -2.13 -15.36 0.38 91.02 34.19 -796.51 4 0
6 160 DSTL2 Combination -2.13 -15.02 0.38 91.02 -26.55 1633.46 4 160
6 160 DSTL2 Combination -2.13 20.98 0.38 91.02 -26.55 1633.46 4 160
6 320 DSTL2 Combination -2.13 21.32 0.38 91.02 -87.3 -1750.57 4 320
7 0 DSTL2 Combination 3.62 -0.36 0.044 -17.37 63.35 -99.88 5 0
7 320 DSTL2 Combination 3.62 0.56 0.044 -17.37 49.26 -131.18 5 320
9 0 DSTL2 Combination -1.75 -15.13 -0.11 -114 -0.75 -776.86 6 0
XLI
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
9 160 DSTL2 Combination -1.75 21.21 -0.11 -114 17.03 1616.8 6 160
9 320 DSTL2 Combination -1.75 21.55 -0.11 -114 34.81 -1803.55 6 320
10 0 DSTL2 Combination 2.12 -0.38 -0.15 34.08 -18.41 -72.91 7 0
10 320 DSTL2 Combination 2.12 0.54 -0.15 34.08 28.23 -98.07 7 320
12 0 DSTL2 Combination -0.52 -1.73 -0.62 -98.44 -84.68 -445.71 8 0
12 450 DSTL2 Combination -0.52 -0.78 -0.62 -98.44 192.24 118.9 8 450
13 0 DSTL2 Combination 1.85 -0.79 1.31 -127.7 651.36 -121.34 9 0
13 351.46 DSTL2 Combination 1.08 -0.14 1.31 -127.7 191.52 42.74 9 351.46
13 702.92 DSTL2 Combination 0.3 0.5 1.31 -127.7 -268.32 -19.62 9 702.92
14 0 DSTL2 Combination -4.12 -29.87 0.19 -5.23 142.35 -1853.76 10 0
14 160 DSTL2 Combination -4.12 -29.53 0.19 -5.23 112.57 2898.71 10 160
14 160 DSTL2 Combination -4.12 30.47 0.19 -5.23 112.57 2898.71 10 160
14 320 DSTL2 Combination -4.12 30.8 0.19 -5.23 82.79 -2002.82 10 320
19 0 DSTL2 Combination 4.7 -0.0128 -0.0223 5.68 1.56 -113.5 11 0
19 320 DSTL2 Combination 4.7 0.9 -0.0223 5.68 8.69 -256 11 320
21 0 DSTL2 Combination 1.46 -1.24 0.0034 -2.13 3.88 -278.96 12 0
XLII
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf Kgf-mm Kgf-mm Kgf-mm Text
21 477.5 DSTL2 Combination 1.46 -0.24 0.0034 -2.13 2.27 73.87 12
21 955 DSTL2 Combination 1.46 0.77 0.0034 -2.13 0.66 -54.35 12
23 0 DSTL2 Combination -1.16 -8.17 -0.0212 0.43 42.38 -469.52 13
23 240 DSTL2 Combination -1.16 -7.67 -0.0212 0.43 47.47 1430.99 13
23 240 DSTL2 Combination -1.16 7.57 -0.0212 0.43 47.47 1430.99 13
23 480 DSTL2 Combination -1.16 8.08 -0.0212 0.43 52.55 -447.63 13
24 0 DSTL2 Combination -0.0129 -8.12 -0.0338 0.87 65.82 -101.87 14
24 240 DSTL2 Combination -0.0129 -7.61 -0.0338 0.87 73.92 1785.96 14
24 240 DSTL2 Combination -0.0129 7.63 -0.0338 0.87 73.92 1785.96 14
24 480 DSTL2 Combination -0.0129 8.13 -0.0338 0.87 82.02 -105.34 14
25 0 DSTL2 Combination -0.2 -8.15 -0.0357 1.16 78.4 -83.97 15
25 240 DSTL2 Combination -0.2 -7.64 -0.0357 1.16 86.98 1810.14 15
25 240 DSTL2 Combination -0.2 7.6 -0.0357 1.16 86.98 1810.14 15
25 480 DSTL2 Combination -0.2 8.11 -0.0357 1.16 95.55 -74.87 15
27 0 DSTL2 Combination 1.41 -0.58 0.0057 -0.51 6.71 -107.33 16
27 480 DSTL2 Combination 1.41 0.43 0.0057 -0.51 3.99 -69.66 16
XLIII
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
28 0 DSTL2 Combination -2.27 -8.49 0.0042 -2.36 37.79 -581.56 17 0
28 240 DSTL2 Combination -2.27 -7.99 0.0042 -2.36 36.78 1395.8 17 240
28 240 DSTL2 Combination -2.27 7.25 0.0042 -2.36 36.78 1395.8 17 240
28 480 DSTL2 Combination -2.27 7.76 0.0042 -2.36 35.77 -405.96 17 480
29 0 DSTL2 Combination 3.8 -0.66 -0.17 4.03 -42.25 -91.46 18 0
29 480 DSTL2 Combination 3.8 0.71 -0.17 4.03 37.82 -103.16 18 480
31 0 DSTL2 Combination 1.48 -1.23 -0.0127 1.12 -6.68 -277.63 19 0
31 477.5 DSTL2 Combination 1.48 -0.23 -0.0127 1.12 -0.64 70.86 19 477.5
31 955 DSTL2 Combination 1.48 0.78 -0.0127 1.12 5.41 -61.71 19 955
33 0 DSTL2 Combination -22.92 0.27 0.73 0 0 4.263E-15 20 0
33 125 DSTL2 Combination -22.56 0.27 0.73 0 -90.7 -34.27 20 125
33 250 DSTL2 Combination -22.2 0.27 0.73 0 -181.4 -68.54 20 250
34 0 DSTL2 Combination -18.25 -0.32 -1.91 -13.38 -209.09 -67.12 21 0
34 270 DSTL2 Combination -17.48 -0.32 -1.91 -13.38 306.46 19.85 21 270
34 540 DSTL2 Combination -16.7 -0.32 -1.91 -13.38 822.01 106.83 21 540
35 0 DSTL2 Combination 0.28 -0.78 0.3 -14.7 48.57 -66.59 22 0
XLIV
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
35 450 DSTL2 Combination 0.28 0.51 0.3 -14.7 -88.35 -4.86 22 450
36 0 DSTL2 Combination 0.01469 -0.96 0.16 -4.87 65.82 -126.16 23 0
36 290 DSTL2 Combination 0.01469 -0.13 0.16 -4.87 20.22 31.43 23 290
36 580 DSTL2 Combination 0.01469 0.7 0.16 -4.87 -25.38 -51.79 23 580
37 0 DSTL2 Combination -41.45 2.59 0.37 28.39 119.9 970.47 24 0
37 270 DSTL2 Combination -42.22 2.59 0.37 28.39 20.12 272.1 24 270
37 540 DSTL2 Combination -42.99 2.59 0.37 28.39 -79.66 -426.28 24 540
38 0 DSTL2 Combination -45.39 -0.66 -0.55 0 -136.78 -166.08 25 0
38 125 DSTL2 Combination -45.75 -0.66 -0.55 0 -68.39 -83.04 25 125
38 250 DSTL2 Combination -46.11 -0.66 -0.55 0 1.92E-14 -2.781E-15 25 250
39 0 DSTL2 Combination -39.2 -2.9 0.43 -5.84 105.52 -1161.53 26 0
39 270 DSTL2 Combination -39.97 -2.9 0.43 -5.84 -10.2 -377.65 26 270
39 540 DSTL2 Combination -40.74 -2.9 0.43 -5.84 -125.92 406.24 26 540
40 0 DSTL2 Combination -42.92 0.77 -0.37 0 -93.59 191.89 27 0
40 125 DSTL2 Combination -43.28 0.77 -0.37 0 -46.79 95.95 27 125
40 250 DSTL2 Combination -43.63 0.77 -0.37 0 2.87E-14 5.046E-15 27 250
XLV
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
41 0 DSTL2 Combination -2.73 -18.4 1.14 -1729 -31.01 -1507.2 28 0
41 50 DSTL2 Combination -2.73 -18.29 1.14 -1729 -88.24 -589.95 28 50
43 0 DSTL2 Combination -2.79 17.55 -1.32 1698 -106.74 -395.52 29 0
43 50 DSTL2 Combination -2.79 17.65 -1.32 1698 -40.65 -1275.5 29 50
44 0 DSTL2 Combination -0.065 -1.11 -0.23 13.62 -35.13 -112.24 30 0
44 450 DSTL2 Combination -0.065 0.18 -0.23 13.62 68.14 97.77 30 450
45 0 DSTL2 Combination 3.81 -1.58 -1.62 -50.32 -124.12 -164.67 31 0
45 50 DSTL2 Combination 3.81 -1.44 -1.62 -50.32 -42.91 -89.34 31 50
47 0 DSTL2 Combination 3.82 1.49 1.31 65.74 43.22 -102.04 32 0
47 50 DSTL2 Combination 3.82 1.64 1.31 65.74 -22.39 -180.26 32 50
48 0 DSTL2 Combination -31.95 0.13 3.43 -43.83 1322.22 7.66 33 0
48 270 DSTL2 Combination -32.72 0.13 3.43 -43.83 396.27 -27.73 33 270
48 540 DSTL2 Combination -33.49 0.13 3.43 -43.83 -529.67 -63.12 33 540
49 0 DSTL2 Combination -35.51 0.17 -1.04 0 -260.05 43.44 34 0
49 125 DSTL2 Combination -35.87 0.17 -1.04 0 -130.02 21.72 34 125
49 250 DSTL2 Combination -36.23 0.17 -1.04 0 -5E-14 1.541E-14 34 250
XLVI
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
50 0 DSTL2 Combination -33.18 0.0113 1.22 0 0 2.132E-15 35 0
50 125 DSTL2 Combination -32.83 0.0113 1.22 0 -152.88 -1.41 35 125
50 250 DSTL2 Combination -32.47 0.0113 1.22 0 -305.76 -2.82 35 250
51 0 DSTL2 Combination -31.67 -0.25 -3.17 50.13 -433.95 -75.08 36 0
51 270 DSTL2 Combination -30.9 -0.25 -3.17 50.13 422.44 -8.43 36 270
51 540 DSTL2 Combination -30.13 -0.25 -3.17 50.13 1278.82 58.21 36 540
52 0 DSTL2 Combination -16.75 0.91 1.23 10.59 710.03 542.05 37 0
52 425 DSTL2 Combination -17.65 0.91 1.23 10.59 186.8 154.42 37 425
52 850 DSTL2 Combination -18.55 0.91 1.23 10.59 -336.44 -233.22 37 850
53 0 DSTL2 Combination -20.38 -0.5 -0.23 0 -57.99 -123.75 38 0
53 125 DSTL2 Combination -20.64 -0.5 -0.23 0 -28.99 -61.88 38 125
53 250 DSTL2 Combination -20.9 -0.5 -0.23 0 -1.5E-15 -8.996E-15 38 250
54 0 DSTL2 Combination 1.5 -8.54 -0.25 -85.34 -27.99 -709.61 39 0
54 150 DSTL2 Combination 1.4 -8.24 -0.25 -85.34 9.36 548.35 39 150
54 300 DSTL2 Combination 1.3 -7.93 -0.25 -85.34 46.71 1761.16 39 300
55 0 DSTL2 Combination -1.17 -0.2 -0.26 -8.77 -47.35 1762.04 40 0
XLVII
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
55 150 DSTL2 Combination -1.27 0.099 -0.26 -8.77 -8.07 1769.76 40 150
55 300 DSTL2 Combination -1.37 0.4 -0.26 -8.77 31.21 1732.33 40 300
56 0 DSTL2 Combination -3.85 8.16 -0.46 46.89 -69.29 1733.5 41 0
56 202.03 DSTL2 Combination -3.98 8.56 -0.46 46.89 24 44.32 41 202.03
56 404.05 DSTL2 Combination -4.11 8.97 -0.46 46.89 117.29 -1726.75 41 404.05
57 0 DSTL2 Combination -16.65 -0.85 1.24 -10.67 712.43 -513.86 42 0
57 425 DSTL2 Combination -17.55 -0.85 1.24 -10.67 187.39 -152.96 42 425
57 850 DSTL2 Combination -18.45 -0.85 1.24 -10.67 -337.65 207.94 42 850
58 0 DSTL2 Combination -20.11 0.55 -0.24 0 -59.51 137.16 43 0
58 125 DSTL2 Combination -20.37 0.55 -0.24 0 -29.76 68.58 43 125
58 250 DSTL2 Combination -20.64 0.55 -0.24 0 -1.3E-16 -9.326E-16 43 250
59 0 DSTL2 Combination 1.45 -8.54 0.31 82.51 39.68 -712.86 44 0
59 150 DSTL2 Combination 1.35 -8.24 0.31 82.51 -7.1 545.88 44 150
59 300 DSTL2 Combination 1.26 -7.94 0.31 82.51 -53.89 1759.47 44 300
60 0 DSTL2 Combination -1.29 -0.21 0.32 7.64 56.65 1758.6 45 0
60 150 DSTL2 Combination -1.38 0.0867 0.32 7.64 7.94 1768.17 45 150
XLVIII
Tablas de las Fuerzas que Soportan los Perfiles de la Estructuras (continuación)
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase CaseType P V2 V3 T M2 M3 FrameElem ElemStation
Text mm Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm Kgf-mm Kgf-mm Text mm
60 300 DSTL2 Combination -1.48 0.39 0.32 7.64 -40.78 1732.58 45 300
61 0 DSTL2 Combination -4.02 8.09 0.52 -34.07 73.22 1731.42 46 0
61 202.03 DSTL2 Combination -4.15 8.49 0.52 -34.07 -32.78 56.47 46 202.03
61 404.05 DSTL2 Combination -4.28 8.9 0.52 -34.07 -138.78 -1700.39 46 404.05
62 0 DSTL2 Combination -15.58 -0.21 -1.79 6.97 -777.51 -104.64 47 0
62 270 DSTL2 Combination -16.35 -0.21 -1.79 6.97 -294.36 -49.11 47 270
62 540 DSTL2 Combination -17.13 -0.21 -1.79 6.97 188.8 6.41 47 540
63 0 DSTL2 Combination -18.21 -0.0452 0.48 0 120.76 -11.3 48 0
63 125 DSTL2 Combination -18.57 -0.0452 0.48 0 60.38 -5.65 48 125
63 250 DSTL2 Combination -18.93 -0.0452 0.48 0 3.17E-14 3.404E-16 48 250
XLIX
TABLAS DE REACCIONES
TABLE: Joint Reactions
Joint OutputCase CaseType F1 F2 F3 M1 M2 M3
Text Text Text Kgf Kgf Kgf
Kgf-
mm
Kgf-
mm
Kgf-
mm
1 DSTL2 Combination -0.27 -0.73 22.92 0 0 0
10 DSTL2 Combination -0.66 0.55 46.11 0 0 0
13 DSTL2 Combination 0.77 0.37 43.63 0 0 0
16 DSTL2 Combination 0.17 1.04 36.23 0 0 0
17 DSTL2 Combination -0.01126 -1.22 33.18 0 0 0
19 DSTL2 Combination -0.5 0.23 20.9 0 0 0
28 DSTL2 Combination 0.55 0.24 20.64 0 0 0
32 DSTL2 Combination -0.04519 -0.48 18.93 0 0 0
L
ANEXO 13. TUBOS ESTRUCTURALES
LI
LII
LIII
ANEXO 14. PLANCHAS INOXIDABLES
LIV
LV
ANEXO 15. CARACTERÍSTICAS DE RODAMIENTOS Y
CHUMACERA.
LVI
Rodamientos rígidos de bolas, de una hilera, no est án obturados Capacidades de carga Velocidades Designación
Velocidad Velocidad
Dimensiones
principales
dinámica estática
Carga
límite
de fatiga
de referencia limite
Masa
d D B C Co Pu mm kN kN rpm Kg - 45 68 12 14 10.8 0.465 20000 13000 0.14 61909
LVII
Soportes de pie con rodamientos Y, soporte de fundi ción, prisionero, rodamientos métricos
Dimensiones Capacidades de carga Velocidad Masa Designaciones dinámica estática límite Unidad de rodamiento Soporte Rodamiento con eje de d A H H1 L C C0 tolerancia h6
mm kN rpm kg -
45 48 107,5 54 187 33,2 21,6 4300 2,2 SY 45 TF SY 509 M YAR 209-2F
LVIII
ANEXOS 16. FOTOS DE LA MÁQUINA Y PRUEBAS REALIZADAS .
LIX
Bloque de hielo que se fabrica
Bloque de hielo colocado en la máquina para realizar las pruebas.
LX
Inicio de la prueba.
Primeros trozos de hielo que se obtiene en la prueba.
LXI
Hielo picado en la cámara de reciclaje.
Finalización de la prueba, obtención del hielo picado.